Nat Neurosci：海馬體如何在同一空間中切換不同的“潛在地圖”？

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基本信息

Title:Goal-directed hippocampal theta sweeps during memory-guided navigation

發(fā)表時間:2026-07-01

發(fā)表期刊:Nature Neuroscience

影響因子:20.3

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研究背景

當(dāng)你走向常去的咖啡館時，你的大腦是否在提前“探路”？在嚙齒動物中，海馬體的位置細(xì)胞會在腦電theta波的周期內(nèi)快速按順序放電，形成一種從動物當(dāng)前位置向前方延伸的“軌跡掃描”（theta sweeps）。過去在直線跑道上的研究認(rèn)為，這種時間壓縮的序列代表了大腦對未來路徑的規(guī)劃與心理模擬。

然而，最近一項在開放環(huán)境中的研究卻提出了截然不同的觀點。該研究發(fā)現(xiàn)，theta sweeps僅僅是機械地在動物前方“左右交替”掃描，像雷達(dá)一樣進(jìn)行無差別的空間采樣，完全獨立于動物的經(jīng)驗和認(rèn)知目標(biāo)。這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了領(lǐng)域內(nèi)的激烈爭議：theta sweeps到底是大腦靈活的“導(dǎo)航儀”，還是死板的“探測雷達(dá)”？

為了解答這一問題，研究人員讓大鼠在開放迷宮中分別執(zhí)行隨機覓食和目標(biāo)導(dǎo)向的導(dǎo)航任務(wù)，并同步記錄了海馬體CA1區(qū)和前額葉皮層的大規(guī)模神經(jīng)元集群活動。這項研究試圖厘清，當(dāng)動物真正需要依靠記憶去尋找遠(yuǎn)處的隱藏目標(biāo)時，大腦的軌跡掃描究竟會呈現(xiàn)怎樣的動態(tài)。

研究核心總結(jié)

一、除了左右交替，海馬體還能生成預(yù)測未來的“目標(biāo)導(dǎo)向”掃描

研究者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大鼠在迷宮中漫無目的地覓食時，海馬體的theta sweeps確實如前人所述，呈現(xiàn)出高度刻板的左右交替模式。然而，當(dāng)大鼠需要依靠記憶尋找隱藏的獎勵目標(biāo)時，一種全新的掃描模式出現(xiàn)了：一部分theta sweeps不再左右搖擺，而是筆直地指向動物即將前往的目標(biāo)。

更重要的是，這種“目標(biāo)導(dǎo)向”的掃描并非天生，而是隨著大鼠對目標(biāo)位置的學(xué)習(xí)逐漸增強的。即使大鼠當(dāng)前的頭部并沒有對準(zhǔn)目標(biāo)，這些掃描依然能準(zhǔn)確預(yù)測它接下來真正會選擇的路線。這表明海馬體能夠根據(jù)行為需求，靈活地在無偏差的空間采樣和特定目標(biāo)的軌跡規(guī)劃之間切換。

Fig 1. 在目標(biāo)導(dǎo)向?qū)Ш饺蝿?wù)中，海馬體theta sweeps不僅保留了左右交替的采樣模式，還演化出能夠精準(zhǔn)預(yù)測動物未來軌跡的目標(biāo)導(dǎo)向掃描。

為什么大腦能打破刻板的左右交替，生成指向目標(biāo)的掃描？研究者在海馬體CA1區(qū)發(fā)現(xiàn)了一類特殊的神經(jīng)元，它們不關(guān)心動物具體在迷宮的哪個絕對位置，只關(guān)心“目標(biāo)相對于動物自身在哪個方向”，即編碼自我中心的目標(biāo)方向信號。

在目標(biāo)導(dǎo)向的theta sweeps期間，這類細(xì)胞的放電顯著增加，尤其是在theta周期的晚期。結(jié)合連續(xù)吸引子網(wǎng)絡(luò)計算模型和實驗數(shù)據(jù)，研究者揭示了背后的機制：當(dāng)這種自我中心的目標(biāo)方向信號出現(xiàn)，并且海馬體局部中間神經(jīng)元對位置細(xì)胞的反饋抑制減弱時，原本左右搖擺的動態(tài)平衡被打破，從而生成了直指目標(biāo)的theta sweeps。

Fig 2. CA1區(qū)存在編碼自我中心目標(biāo)方向的神經(jīng)元，它們在目標(biāo)導(dǎo)向的theta sweeps期間表現(xiàn)出特異性的放電增強。

Fig 3. 計算模型與實驗證實，目標(biāo)方向信號的輸入與局部反饋抑制的減弱，是促使theta sweeps轉(zhuǎn)向目標(biāo)的關(guān)鍵機制。

在導(dǎo)航間隙的短暫休息時，海馬體會通過尖波漣漪（SWRs）快速“重放”過去的經(jīng)歷，這被認(rèn)為是記憶鞏固的關(guān)鍵。大腦會平等地重放所有走過的路嗎？

研究發(fā)現(xiàn)，重放的軌跡強烈偏向于那些通往目標(biāo)的路線。更關(guān)鍵的是，這些重放事件與目標(biāo)導(dǎo)向的theta sweeps在結(jié)構(gòu)上高度相似，且那些編碼目標(biāo)方向的神經(jīng)元在重放中參與度極高。這說明，目標(biāo)導(dǎo)向的theta sweeps可能在標(biāo)記哪些經(jīng)驗最重要，從而讓大腦在休息時優(yōu)先鞏固這些通往目標(biāo)的有效路徑，而不是平均分配計算資源。

Fig 4. 休息期間的海馬體記憶重放并非隨機，而是優(yōu)先再現(xiàn)了那些由目標(biāo)導(dǎo)向theta sweeps所編碼的通往獎勵的軌跡。

目標(biāo)導(dǎo)向的導(dǎo)航不僅需要海馬體，還需要前額葉皮層（PFC）的參與。研究發(fā)現(xiàn)，在目標(biāo)導(dǎo)向的theta sweeps期間，海馬體與PFC的軌跡表征表現(xiàn)出高度的同步與協(xié)同，而左右交替掃描時則沒有這種現(xiàn)象。

此外，當(dāng)大鼠在同一個物理迷宮中學(xué)習(xí)兩套不同的獎勵位置時，海馬體并沒有在同一張地圖上修修補補，而是為不同的任務(wù)上下文生成了完全獨立的“潛在地圖”（latent maps）。Theta sweeps正是在這些特定的潛在地圖中進(jìn)行心理探索，指導(dǎo)動物在相同物理空間中執(zhí)行不同的靈活行為。

Fig 5. 相比于左右交替掃描，目標(biāo)導(dǎo)向的theta sweeps與前額葉皮層（PFC）的活動展現(xiàn)出更強的跨腦區(qū)協(xié)同。

Fig 6. 海馬體為同一物理空間中的不同任務(wù)構(gòu)建了獨立的潛在地圖，theta sweeps在這些特定地圖中進(jìn)行軌跡演算。

研究意義

這項研究完美調(diào)和了領(lǐng)域內(nèi)長期以來的爭議，證明海馬體的theta sweeps既包含了用于無偏差環(huán)境采樣的左右交替掃描，也包含了用于靈活軌跡規(guī)劃的目標(biāo)導(dǎo)向掃描。

從理論意義上看，它揭示了海馬體不僅是一張靜態(tài)的物理空間地圖，還能根據(jù)任務(wù)需求動態(tài)調(diào)用不同的潛在地圖。同時，自我中心目標(biāo)信號的發(fā)現(xiàn)，填補了大腦如何將遠(yuǎn)距離目標(biāo)轉(zhuǎn)化為局部導(dǎo)航指令的機制空白。這為我們理解大腦如何整合空間信息與內(nèi)在目標(biāo)、如何在復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行心理模擬和決策，提供了全新的計算框架與生理學(xué)證據(jù)。

分享人：飯鴿兒

審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部

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