PNAS：张生家团队在内侧前额叶皮层发现新型边界细胞

6月10日，陆军军医大学新桥医院神经外科张生家教授团队，在PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of American发表了题为《Border cells without theta rhythmicity in the medial prefrontal cortex》的研究成果。

该研究首次揭示了在海马体外的内侧前额叶皮层（medial prefrontal cortex，mPFC）中存在一类编码环境边界的特异性神经元，也被称为边界细胞（border cell）。该新发现的空间编码功能支持mPFC在空间情景记忆相关的认知功能中的局部神经计算，并支持空间调谐可能是大脑皮层计算的一个广泛特征的理论。

据了解，空间导航对人们的日常生活与生存发展至关重要。经典空间导航系统由海马体的位置细胞与内嗅皮层的网格细胞、头方向细胞和边界细胞等构成。对大脑“内置导航系统（GPS）”进行开创性研究的三位科学家John O’Keefe, May-Britt Moser和Edvard Moser获得了2014年诺贝尔生理学或医学奖。 

此后，越来越多的研究显示，大脑中除经典的海马体以外的区域也参与了空间记忆与导航。内侧前额叶皮层（medial prefrontal cortex，mPFC）在大脑中主要负责编码高级认知功能和情感行为，与计划、决策、注意力、目标导向和社交等密切相关。尽管早期的研究表明，内侧前额叶皮层可能参与编码空间认知与记忆，但其中与空间导航相关的空间细胞一直未被发现。

头戴植入式电极的大鼠

在本研究中，研究人员将多通道微电极植入大鼠的内侧前额叶皮层中，采集大鼠在清醒自由运动状态下腹背侧单个神经元的电活动信号，发现当大鼠靠近环境的几何边界时，边界细胞会增加放电频率。值得注意的是，绝大多数边界细胞沿着环境的四个边界放电，这与传统的内嗅皮层边界细胞主要沿单边放电的特性形成了鲜明的对比。

在此基础上，研究者还进一步发现，内侧前额叶皮层中同时存在编码世界中心和自我中心空间坐标系的边界细胞，并且左、右大脑半球之间存在明显的分布偏差，这一对侧化分布可能为内侧前额叶皮层自我中心信号的感觉起源提供线索。接着，通过一系列实验，研究者发现边界细胞的自我中心和世界中心调节特性均不依赖于视觉或触觉的直接输入。通过进一步引入新边界、新物体及在高架平台上进行电信号记录，研究者发现内侧前额叶皮层边界细胞对普遍意义上的环境边界均有反应。

最后，在空间工作记忆相关任务中，θ振荡（4-12 Hz）是 mPFC 中观察到的神经活动的显著特征，无论是在局部场电位中还是在单个神经元放电中。在记忆引导的空间任务中，海马-前额叶神经网络中观察到了θ相干性，而海马θ节律被认为对空间计算至关重要。然而，在自由觅食行为期间， mPFC边界细胞是否存在θ节律调节尚未确定。意外地是，研究人员发现，mPFC细胞在自由觅食行为期间很少表现出 θ 节律性放电，非边界细胞也类似。这一结果提示在任务状态下和非任务状态下mPFC神经网络活动存在显著差异。

本研究发现在自由运动状态下内侧前额叶皮层中存在一类特异性的边界细胞。更为特别的是，与经典的海马体中单边放电的边界细胞相比，内侧前额叶皮层边界细胞选择性沿着环境的四个边界放电，同时缺乏θ波节律性。考虑到内侧前额叶皮层负责决策和目标导向行为等高级认知功能，这些过程往往涉及感知空间变量，因此，该新发现支持内侧前额叶皮层参与形成与空间情景记忆相关的认知功能，也为空间调谐可能是大脑皮层计算的一个广泛特征提供新的证据。

左，多通道步进电极植入内侧前额叶皮层的示意图；右，沿着环境不同边界放电的边界细胞对应的运动轨迹叠加放电位置图，空间放电频率图及对应四电极（tetrode）上的放电波形图。

陆军军医大学张生家教授是该文通讯作者；陆军军医大学新桥医院神经外科龙晓阳博士、中级实验师邓斌、沈瑞、杨琳博士、陈丽萍博士、实习研究员冉青霞与助理实验师杜昕为本研究做出了重要贡献。该研究得到国家自然科学基金支持。

原始出处：

陆军军医大学新桥医院神经外科张生家教授研究团队

张生家 教授，陆军军医大学新桥医院神经外科教授，师从2014年诺贝尔奖生理学或医学奖得主Moser教授，致力于用分子病毒学、在体电生理、光遗传学并结合转基因动物研究大脑的空间导航系统，来解析大脑空间导航系统的编码机制，相关研究成果发表在Science, Nature, Nature Neuroscience, Neuron和Journal of Neuroscience, Cell Research、Advanced Science和PNAS等国际期刊上。