編譯作者：Juno（brainnews 創作團隊）,校審：Simon（brainnews 編輯部）

　　常言“看山是山，看山不是山，看山還是山”，大腦如何得知是山非山？神經元是如何將原始的視覺信號轉化為某個物體的心理表征？世界不斷地以各種各樣的信息轟炸著我們的感官，但是大腦從這些信息中萃取其意義的方式仍然未知。

　　2019 年 8 月 12 日發表于 Nature Neuroscience 的一篇文章解釋了這一問題，麻省理工學院的神經科學家 Sabbi Lall 等人發現了一條小鼠大腦中特殊的神經環路，該環路能夠將環境中高維的復雜信號轉換為簡單的抽象對象。研究者們對哺乳動物頭部方向電路中的流形結構進行了表征和直接可視化，揭示了這些狀態形成了一個拓撲上獨特的一維環。

　　麥戈文研究所的 Fiete 是這篇文章的作者之一，同時也是麻省理工學院大腦和認知科學系的副教授，她提到外部世界并沒有方位標識，我們當前頭部的方向信息必須由大腦來提取、計算和評估。這個過程使我們能夠證實低維概念的出現，本質即大腦中存在一個抽象的指南針。研究者稱該指南針是個代表目前頭部相對于外部世界方向的一維環。

　　Fiete 說：“沒有這個環，我們將迷失于這個世界。”

　　曾有對果蠅大腦的研究揭示過一個類似的神經元橢圓環，代表果蠅頭部方向變化，研究人員懷疑這種系統也可能存在于哺乳動物中。

　　Fiete 使用了一種稱為拓撲建模的方法，將大量復雜神經元的活動轉換成環形的數據云。類似于在看不到具體模式的情況下，通過追蹤沙丁魚，繪制整個沙丁魚群位置的點，以及每條魚相對于其鄰居的位置，一種清晰的魚群活動模式就會浮現出來。這個模型通常構成環形，一個由數百條單獨的魚活動形成的簡單形狀。

　　Fiete 和她的同事們測量了小鼠在環境中自由活動時，丘腦前背核的數十個神經元的神經活動小時數，丘腦前背核（anterodorsal thalamic nucleus ，ADN）目前被認為在區域空間導航中發揮重要作用。他們繪制了當動物頭部改變方向時，ADN 回路中的神經元如何進行電活動。最終發現這些數據點一起形成了一個簡單而持久的環形云。

　　挪威卡維利系統神經科學研究所所長 Moser 未沒有參與這項研究，但對其十分關注，他認為以前的數據間接證明存在這樣一個環狀組織，但現在研究者們才有可能用合適的細胞數量和令人信服的方法地證明其存在。

　　動物行為十分復雜，該環路通過編碼頭部方向的這個一維指南針整合動物的速度。如果沒有一個能獲取整體空間狀態的方法，就無法知曉這個由數千個神經元組成的回路編碼了動物復雜行為的這一方面，也無法知曉它是否還參與編碼了其他行為。拓撲建模方法使得 Fiete 和同事們能夠確定該環路中關鍵的變量，并接下來致力于通過神經反應來解碼這個變量。

　　即使在快速眼動睡眠期間，沒有外部信息的轟擊，這個回路仍能夠追蹤出同一個一維環，如同夢見頭部曾經的方向軌跡。

　　進一步分析表明，該環起能吸引子的作用。如果相關神經元偏離了軌道，它們會被拉回到軌道上，迅速修正。這一特性意味著即使在抽象空間中，頭部方向的感知在一段時間內也是可靠穩定的，這是我們保持頭部相對于外部世界穩定定位的關鍵因素。

　　該研究讓我們得以初步了解復雜的感官信息如何在頭腦中被提煉成簡單的概念，以及這種表達是如何自動修正以維持穩定。但是這項研究的含義不僅僅是頭部方向的編碼。類似的組織環路還有可能存在于其他認知功能中。挪威科技大學、普林斯頓大學、威茨曼研究所等機構的神經科學家們已在進行相關研究，他們的工作是未來神經解碼研究的基礎。

　　大腦以簡單的形狀解構和代表世界上復雜的事物，多層次分析可以幫助研究者們找到那些形狀。因此這篇文章可能會給許多新的研究提供思路和研究方法上的啟示。有了這種方法，就有可能從大腦中提取其確切的抽象表征，甚至可能是思想和夢境。

　　參考資料：

　　Chaudhuri R,Gerçek B,Pandey B,et al.The intrinsic attractor manifold and population dynamics of a canonical cognitive circuit across waking and sleep[J].Nature neuroscience,2019.

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Nature Neuroscience重磅：拓扑建模首次发现小鼠脑海里的“指南针”的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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