除了当前位置和方向的地图,大脑还会为未来的目的地单独维护一张目标地图吗?

对小鼠和大鼠的研究提示,大脑中存有一张独立于当前位置和方向地图的未来目标地图。

直接答案

是的,大脑似乎会为未来的目的地单独维护一张地图。在大鼠中,眶额皮层(orbitofrontal cortex)的神经元在整个导航过程中持续指向下一个目标,甚至在旅程开始之前就已如此,而且并不直接依赖感官获取目的地信息[1]。这张目标地图与海马体(hippocampus)负责的当前位置和方向地图是分开的[1][4]。

5篇文献引用

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大脑为什么需要一张单独的目标地图?

知道自己在哪里,并不等于知道要去哪里。海马体提供了当前位置及附近路径的详细地图,但它在确定目的地方面的作用一直受到质疑[1]。单独的目标地图让大脑能够对可能很远、超出感官范围的目标位置保持精确估计,这对准确导航至关重要[1]。

大鼠眶额皮层中一类神经元的发现支持了这种分工:这些神经元在整个导航过程中编码接下来的目标目的地[1]。这些目标表征在导航开始之前就已出现,并由针对特定目的地的神经群体活动动态维持;如果在旅程开始时短暂干扰这些表征,就会导致导航出错[1]。这表明眶额皮层是内部目标地图的一部分,与海马体的位置地图协同工作[1]。

导航过程中目标地图如何发挥作用?

目标地图并不是被动存储某个位置,而是主动引导行为。在大鼠中,即使动物犯了错,眶额皮层的目标表征依然持续存在,并在错误试次开始时预测出错误的目的地[1]。这说明目标地图能够驱动导航朝向所选目标,无论正确与否,而且它的运作不依赖即时的感官输入[1]。

其他脑区以不同方式参与目标导向的导航。在小鼠中,后顶叶皮层(posterior parietal cortex)含有与意图路径相关的活动模式,这些模式不同于实际的身体运动[3]。当用脑机接口把导航控制切换到顶叶皮层活动时,小鼠无需学习就能立即朝目标导航,解码出的路径也与它们的身体运动脱钩[3]。这表明顶叶皮层活动可以表征通往目标的计划路径,独立于当前位置和方向[3]。

目标地图与位置地图有何不同?

传统上认为海马体是大脑的当前位置地图,但近期研究显示它也能携带与未来位置相关的信号。在小鼠通过脑机接口直接从海马体活动导航时,位置编码迅速重组,形成丢弃了运动相关信号的新表征[4]。这表明海马体的编码并非固定于当前运动,而是可以在内部被激活以预测未来位置[4]。

不过,目标地图似乎至少部分独立于海马体的位置地图。在大鼠中,眶额皮层的目标表征与海马体的位置编码不同,并由其自身的神经动态维持[1]。此外,海马体本身可能以区域特异的方式处理与目标相关的价值信息:使中间海马体失活,比使背侧海马体失活更严重地损害了朝高价值目标的价值依赖型导航[2]。这表明海马体参与目标导向行为,但精确的目标位置可能由别处表征,例如眶额皮层[1]。

本文引用的文献

1

眶额皮层绘制未来导航目标地图

大鼠眶额皮层的神经元在整个导航过程中持续表征未来的目标目的地,在导航开始前就已出现,并能预测错误,提示存在一张单独的目标地图。

2

eLife评估:海马体背侧与中间区域在虚拟现实空间中实现最佳目标导向导航的不同功能

在大鼠中,使中间海马体失活比使背侧海马体失活更严重地损害了朝高价值目标的价值依赖型导航,表明中间海马体在整合位置与价值信息中发挥作用。

3

光学脑机接口揭示后顶叶皮层在目标导向导航中的因果作用

小鼠后顶叶皮层的活动在导航中与意图路径相关,这一点通过一个使解码路径与身体运动脱钩的脑机接口得到了展示。

4

脑机接口导航中出现不同的海马体编码

小鼠海马体CA1区的位置编码在脑机接口导航中迅速重组,形成丢弃运动相关信号的新表征,提示存在由内部驱动的对未来位置的预测。

5

前额叶—丘脑目标状态组织空间对齐的海马体地图

在大鼠的目标导向导航任务中,目标信息与海马体及相关脑区的空间编码是分开表征的。