IF50.5｜内嗅-海马空间地图中的左右交替theta扫描

网格细胞和位置细胞在每个theta周期交替向左右扫描，覆盖从未到访的空间。

这篇按生信解读号的读法拆：先看背景和问题，再看作者怎么做、做出了哪几条硬发现，最后把数据和代码收走。

研究背景

海马位置细胞和内嗅皮层网格细胞构成大脑的空间导航系统。在theta振荡的每个周期，位置细胞会编码从当前位置向前方延伸的轨迹，这种前向扫描被认为与路径规划有关。在迷宫分叉处，扫描轨迹会交替指向两条可能的臂，提示扫描可能表达先前学习到的路径。然而，这些扫描局限于动物曾经走过的路径，无法覆盖更广阔的环境。网格细胞的理论模型提出，网格细胞可能通过线性前向扫描动态探测环境，但缺乏实验证据。

科学问题

卡在哪里： 此前研究中的theta扫描受限于动物实际走过的路径，无法解释大脑如何表征从未到访的周边空间。此外，扫描方向如何协调、由何种神经机制驱动，以及扫描是否独立于经验，均不清楚。

本文要回答： 揭示网格细胞和位置细胞是否在theta周期中产生超越经验的空间扫描，并阐明其方向交替机制和功能意义。

技术路线

作者主要用了：Neuropixels高密度记录、群体向量解码、潜伏流形调谐模型、功能连接分析。

作者使用Neuropixels探针在自由活动大鼠的内嗅皮层和海马同时记录数百个神经元。首先通过群体向量相关解码，在单个theta周期内重建神经表征的位置轨迹，识别出线性向外延伸的扫描。随后分析扫描方向在连续theta周期间的交替模式，并比较不同细胞类型（网格细胞、位置细胞、方向细胞）的贡献。为了探究扫描是否覆盖未访问空间，作者在受限轨道和开放场地中结合潜伏流形调谐模型，推断超出物理边界的空间调谐。最后通过睡眠记录和计算模拟，检验扫描的独立性及其最优覆盖策略。

图 1　Fig. 1。图1展示了内嗅-副下托细胞群体在theta周期内的扫描活动。顶部显示8-10 Hz的theta节律性群体放电，底部四个连续theta周期的解码位置轨迹显示扫描从动物位置向外线性延伸，方向在左右之间交替。白色虚线表示未来轨迹，彩色斑点表示解码位置。该图直观呈现了扫描的时空动态。

核心亮点

亮点 1｜网格细胞扫描方向左右交替

在开放场地自由觅食的大鼠中，内嗅皮层网格细胞群体活动在每个theta周期（约125 ms）内解码出一条从动物当前位置向外线性延伸的轨迹，即扫描。扫描方向在连续theta周期间以约80%的比例左右交替，平均偏移头部方向约24°。扫描长度与网格模块间距成正比，平均为间距的19.7%。爆发型网格细胞（位于MEC II层）是扫描信号的主要载体，而非爆发型网格细胞贡献较小。海马位置细胞也表现出类似的左右交替扫描，但比内嗅扫描延迟约19 ms，提示扫描由内嗅皮层向海马传播。

图 2　Fig. 2。图2展示了副下托中theta节律性方向细胞的特性。顶部四个示例细胞的头部方向调谐曲线较宽，中间位置速率图显示其中两个细胞具有网格-方向联合调谐，底部时间自相关图显示强烈的theta周期跳跃（第二theta峰高于第一峰）。右侧解剖图显示这些细胞主要位于副下托。

亮点 2｜独立方向细胞群编码交替方向信号

在副下托（parasubiculum）中发现一群theta节律性方向细胞，其群体活动在每个theta周期离散地指向头部方向左侧或右侧，交替模式与网格细胞扫描方向高度一致（平均角度差仅4.4°）。这些细胞与经典头方向细胞不同，更强烈地调谐于解码出的内部方向而非实际头部方向。它们与网格细胞之间存在功能连接：内部方向细胞→联合网格细胞→纯网格细胞的连接概率显著高于随机水平，且连接方向与方向偏好和网格相位偏移一致，支持方向信号通过联合网格细胞驱动扫描方向的微环路模型。

图 3　Fig. 3。图3展示了内部方向细胞、联合网格细胞和纯网格细胞之间的功能连接。顶部显示沿记录电极柄的细胞位置和检测到的连接，颜色表示突触前细胞类型。底部交叉相关图显示一对连接细胞（联合网格→纯网格）的短潜伏期兴奋性连接。该图支持方向信号通过联合网格细胞传递到纯网格细胞的环路模型。

亮点 3｜扫描延伸至从未到访的空间

在限制性轨道（线性轨道、马车轮轨道）上，解码的内部方向信号和网格细胞扫描指向轨道两侧动物从未涉足的区域。利用潜伏流形调谐模型，作者发现网格细胞和位置细胞对未访问位置（如开放场地围墙外、马车轮轨道内部空洞）具有空间调谐，且扫描方向与内部方向信号相关。这表明内嗅-海马系统构建了一个无缝的环境周边空间地图，不依赖于实际经验。

图 4　Fig. 4。图4展示了扫描延伸至未访问空间。左侧线性轨道和右侧马车轮轨道上，解码的内部方向信号（箭头）指向轨道两侧动物从未到访的区域，且方向在连续theta周期间交替。底部显示基于单个网格模块解码的扫描轨迹延伸到轨道外的空间。该图表明扫描不受物理边界限制。

亮点 4｜扫描在REM睡眠中持续存在

在REM睡眠期间，内部方向细胞和网格细胞的群体活动仍呈现theta节律性的左右交替扫描，方向交替比例约70%，扫描长度与清醒时相当。在慢波睡眠中，虽然存在与方向信号对齐的扫描样轨迹，但缺乏节律性的左右交替。这表明扫描和方向信号是内嗅-海马系统的固有特性，theta节律对于维持严格的左右交替模式是必要的。

图 5　Fig. 5。图5展示了REM睡眠期间扫描和内部方向信号的保持。顶部栅格图显示内部方向细胞在REM期间的theta节律性放电，以及头部方向轨迹。底部四个连续theta周期的解码扫描（彩色圆点）和内部方向（绿色箭头）显示左右交替模式。该图表明扫描是内嗅-海马系统的固有特性，不依赖于行为状态。

亮点 5｜交替扫描实现最优空间覆盖

作者模拟了一个理想扫描生成代理，其选择扫描方向以最小化与先前扫描足迹的重叠。该代理在沿线性路径移动时自发产生左右交替的扫描方向，交替角度约33°，与经验数据一致。在开放场地中，代理预测的扫描方向与神经解码方向显著相关（r=0.36），且交替步调一致。这表明左右交替扫描是一种高效覆盖周边空间的策略，无需显式的交替机制。

生信可带走

这一块是给做分析的人用的，不是科普点缀。

• 方法栈： Neuropixels高密度记录、群体向量解码、潜伏流形调谐模型、功能连接分析
• 公开数据： 原文未给出公开组学登录号
• 代码： 原文未给出公开 GitHub/GitLab 仓库
• 谁该点开原文： 研究空间认知、theta振荡、网格细胞或群体编码的计算神经科学和系统神经科学研究者。

带走一句

分析空间导航神经数据时，不要只关注实际走过的路径；利用群体解码和潜伏变量模型，可以揭示大脑对未访问空间的表征。