人們很早就知道，大腦中被稱為海馬體的區(qū)域對于記憶、學習和導航非常重要。由神經物理學家MayankMehta博士領導的加州大學洛杉磯分校實驗室的科學家們現在對海馬體如何在電路層面上工作(數百萬個神經元參與其功能)有了更深入的了解。加州大學洛杉磯分校的研究人員在虛擬現實迷宮中研究了老鼠，在觀察每只動物海馬體中大量單個神經元的活動時，科學家們發(fā)現了揭示特定導航機制的神經元反應。
他們認為，這一知識可能是開發(fā)阿爾茨海默病、精神分裂癥和癲癇等神經系統(tǒng)疾病治療方法的重要一步，所有這些疾病都與海馬體功能障礙有關。這項研究還可以幫助解釋為什么海馬體受損的人不僅難以完成所謂的空間任務，例如找到回家的路或找到一組丟失的鑰匙，而且還難以完成記憶任務，例如回憶午餐吃了什么或者他們是否服用日常藥物。
“海馬體是最早受到阿爾茨海默氏癥等記憶疾病影響的區(qū)域之一，”該研究的主要作者、前加州大學洛杉磯分校博士后學者賈森·摩爾博士說，他目前在紐約大學工作。“因此了解其功能、靈活性和局限性至關重要。”
梅塔和同事在《自然》雜志上發(fā)表了一篇題為“連接海馬多重調節(jié)、赫布可塑性和導航”的論文，報告了他們對嚙齒動物的研究。
梅塔實驗室和其他地方過去25年的研究表明，神經元活動(或神經可塑性)的變化是通過稱為赫布學習的過程發(fā)生的。這個過程是由一種叫做NMDA的神經化學物質介導的，它是治療神經系統(tǒng)疾病的藥物的常見靶點。事實上，赫布突觸可塑性是該團隊在論文中提到的“海馬功能的支柱之一，另外還有空間導航和空間選擇性。”海馬體也被認為與情景記憶有關，但是，作者指出，“這四種功能之間的精確聯(lián)系缺失。”
在他們新報告的進一步研究海馬體神經元活動的研究中，研究人員使用了梅塔實驗室開發(fā)的一種虛擬現實系統(tǒng)。“......我們訓練四只成年老鼠執(zhí)行類似于莫里斯水迷宮的虛擬導航任務(VNT)，并測量海馬神經反應及其依賴于經驗的可塑性，”該團隊解釋道。這項技術旨在讓動物保持舒適，并避免引起其他VR系統(tǒng)可能引發(fā)的頭暈和其他癥狀。
測試大鼠被放置在一個盒子內的小型跑步機上，盒子的墻壁上投射有迷宮的圖像。鼓勵老鼠穿過迷宮尋找獎勵，一滴糖水。為了獲得獎勵，老鼠需要辨別它們相對于周圍虛擬物體的位置，它們需要去哪里才能獲得獎勵，以及目的地有多遠。研究人員進一步指出：“虛擬現實(VR)完全消除了非特異性線索和人為干預，并確保僅使用遠端視覺線索進行導航，這是認知繪圖的基本特征。”“與大多數地方細胞實驗類似，食欲強化允許老鼠進行許多試驗，并消除在水迷宮中經歷的可能損害突觸可塑性的壓力。”
對幾只動物進行了多次測試，使研究人員能夠觀察當老鼠學會穿越迷宮時，它們的神經元反應如何變化。他們表示：“該任務基于試驗的結構使我們能夠探索行為相關事件和測量序列的神經編碼，例如運動的啟動和方向、行駛的距離以及預期的獎勵位置。”
科學家們觀察到，海馬神經元編碼了動物位置的多個方面——它在空間中的位置、它的身體相對于它的獎勵的角度，以及它沿著路徑移動了多遠——這種現象稱為多路復用。這一發(fā)現意義重大，因為人們普遍認為海馬體中的神經元只編碼位置。“值得注意的是，同一個細胞可以多重并代表所有三個變量：同心空間、角度和路徑距離，”該團隊指出。“這支持了這樣的假設：海馬體學習一種模式，涉及空間和非空間成分，以實現精確導航。”
“我們發(fā)現，在虛擬迷宮中，神經元攜帶的關于老鼠位置的信息非常少，”加州大學洛杉磯分校神經學、神經生物學和物理學教授梅塔說。“相反，大多數神經元編碼導航的其他方面，例如行駛距離和身體前進的方向。”正如該團隊在報告中評論的那樣，“因此，不僅神經元集合，而且單個神經元都可以提供有關整個體驗期間發(fā)生的‘事情’的信息。”
科學家們還觀察到，隨著老鼠在迷宮中獲得經驗，它們的神經元會更加可靠和準確地“記住”迷宮。“神經活動和調節(jié)的強度與表現密切相關，時間關系表明神經反應影響行為，反之亦然……值得注意的是，虛擬現實環(huán)境中的神經可塑性比更簡單的現實世界迷宮中要大得多，”梅塔說。“此外，這種增強的神經可塑性與表現有關。”
梅塔補充說，在老鼠身上觀察到的神經可塑性很可能是由于赫布學習數十億個突觸造成的。當研究人員給動物注射抑制NMDA的物質時，這一結論得到了進一步證實，這會損害它們在迷宮中的表現。
在未來的研究中，梅塔和他的同事旨在對老鼠和有記憶障礙的人類進行類似的研究，以測試虛擬現實是否可以用于早期診斷并評估藥物的有效性。正如他們在論文中總結的那樣，“這些結果開啟了在幾乎相同、非侵入性和非厭惡性條件下使用VR來測試嚙齒動物和人類的可能性，以診斷學習和記憶障礙，并實現跨物種治療的有效轉化。”
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