本研究由麻省理工学院脑与认知科学系及麦戈文脑科学研究所的 Lukas F. Fischer, Raul Mojica Soto-Albors, Friederike Buck 和 Mark T. Harnett*（通讯作者）团队完成，研究论文《Retrosplenial Cortex 中的视觉地标表征》发表于期刊 eLife，于2020年3月10日在线发表。
本研究隶属于神经科学领域，具体聚焦于空间认知与导航的神经机制。其学术背景在于，尽管视觉地标对于高效导航至关重要，但大脑如何将视觉信息整合到其空间框架中以形成地标表征，这一过程尚不明确。已有的人类和啮齿类动物研究提示，压后皮层（Retrosplenial Cortex, RSC）在这些计算中扮演关键角色。RSC位于处理视觉信息、运动反馈、高级决策和海马结构的脑区交汇处，是整合多种输入以指导行为的理想位置。此外，RSC是阿尔茨海默病中最早出现代谢功能障碍的脑区之一，这与该疾病患者的空间定向障碍症状相符。因此，阐明RSC如何编码行为相关的视觉地标，对于理解空间导航的基本原理及相关疾病的病理机制具有重要意义。本研究旨在识别视觉地标信息在RSC中是如何被表征的，特别关注RSC的无颗粒区（dysgranular RSC, Brodmann area 30），并探究视觉输入与运动信息在RSC内的整合机制。
研究流程包含多个相互关联的实验环节，主要研究对象为头部固定的小鼠。研究团队首先开发了一种依赖于RSC功能的虚拟现实行为学任务。在此任务中，小鼠在一个虚拟线性走廊中奔跑，学习两种不同条纹图案的视觉线索（作为地标）与隐藏奖励区之间的固定空间关系（例如，一个地标后80厘米处有奖励，另一个后140厘米处有奖励）。走廊其余部分为不提供空间信息的均匀点状图案，提供光流反馈。任务要求小鼠利用地标进行自我定位，并基于自身运动反馈找到奖励区。通过训练，小鼠学会了根据地标来定位奖励，其舔舐行为变得具有空间特异性。为了验证RSC在此任务中的必要性，研究者在表达Cre重组酶的VGAT-Cre小鼠的RSC双侧注射了Cre依赖的Channelrhodopsin-2病毒，并植入光纤。在专家级小鼠执行任务时，随机在一半的试验中通过光遗传学手段激活RSC的GABA能神经元以抑制局部活动。结果显示，光抑制显著降低了小鼠的任务得分（即根据长短地标调整首次舔舐位置的能力），证实了RSC对成功执行该行为的贡献。
研究的核心部分是使用双光子钙成像技术，在表达GCaMP6f的转基因小鼠执行上述虚拟现实任务时，记录其RSC神经元（共7只小鼠，966个活跃神经元，其中491个被认定为任务相关神经元）的活动。研究人员分析了神经元活动与三个任务特征点（试验开始、地标出现、奖励获取）的对齐情况。他们发现，大多数任务相关神经元的峰值活动与视觉地标对齐（约22.3%），其次是奖励点（约11.6%）和试验开始点（约5.6%）。这表明RSC神经元编码了自我中心（试验开始）和异我中心（地标、奖励）的变量。通过群体向量互相关分析，研究人员发现RSC的空间表征是由地标锚定的：当神经活动根据地标对齐时，动物当前位置的重建误差显著低于根据试验开始对齐时。这意味着RSC的群体神经编码以地标为参照点，更精确地反映了动物在空间中的位置。
为了区分感觉输入、运动反馈和任务参与各自的作用，研究者引入了“解耦刺激呈现”范式。在此范式中，小鼠被动观看与任务相同的虚拟走廊场景（视觉输入相同），但场景流动速度与小鼠自身运动解耦，且不提供奖励。结果显示，与主动导航相比，在解耦条件下，所有类别RSC神经元的反应幅度都显著降低，空间编码的特异性也大幅下降（重建误差增大）。这表明RSC的活动强烈依赖于主动的任务参与，而非单纯的视觉或运动输入。
进一步地，研究者在解耦范式中，根据小鼠在地标通过其感受野期间是否运动（速度>3 cm/s），将试验分为“运动”和“无运动”两组。他们测量了四种条件下的神经反应：主动虚拟现实导航（VR）、解耦下的“地标+运动”、“地标（无运动）”，以及在试验间黑屏状态下的“仅运动”和“无输入”基线。分析发现，“地标+运动”条件下的反应幅度显著高于“地标（无运动）”与“仅运动”基线反应的线性之和。这为RSC神经元中存在视觉与运动输入的超线性整合（supralinear integration）提供了证据。这种非线性整合很可能是通过提高神经元在其感受野内发放瞬变信号的可靠性（概率）以及改善空间调谐的保真度来实现的。
为了探究学习如何塑造RSC的空间表征，研究者在另一组小鼠（3只）中，对同一批神经元在任务学习前（新手期）和学习后（专家期）分别进行了成像。他们发现，在专家期，RSC发展出了更稳健的空间编码，而在新手期，这种编码则很微弱。这证明RSC中对行为相关视觉线索的强编码是在学习过程中形成的。
最后，为了理解RSC如何接收和处理视觉信息，研究者在另一组经过训练的小鼠（4只）的初级视觉皮层（V1）注射了GCaMP6f，并记录了其投射到RSC的轴突终末（bouton）的活动。出乎意料的是，V1轴突终末在RSC中表现出与RSC神经元本身惊人相似的空间感受野，并且同样主要锚定于地标。然而，与RSC神经元相比，V1轴突终末的活动在主动导航与解耦刺激呈现之间的调制程度显著更小。这表明V1向RSC提供了具有空间调谐的视觉输入，但RSC本身通过局部计算，根据行为背景（如任务参与）对这些输入进行了更强的调制。
本研究的主要结果包括：1. 开发了一种RSC依赖的视觉地标导航任务，并证实RSC失活会损害任务表现。2. 发现RSC中大多数任务相关神经元的活动由视觉地标锚定，并且RSC的群体空间编码以地标为参照点最为精确。3. 证明RSC的地标编码强烈依赖于主动的任务执行，而非单纯的视觉或运动输入。4. 提供了RSC神经元对视觉和运动输入进行超线性整合的证据，这可能是其形成稳健空间表征的机制。5. 发现RSC的空间编码在学习过程中得到增强。6. 揭示V1投射到RSC的轴突具有与RSC神经元相似的空间调谐，但其活动受行为背景的调制较弱，提示RSC在信息处理层级中处于更高级别，负责整合并调制感觉输入。
本研究的结论是：RSC中的地标表征是视觉、运动和空间信息局部整合的结果。RSC并非简单地传递视觉信息，而是通过一种依赖于行为背景的非线性机制，将感觉输入与运动及空间信息相结合，从而形成用于目标导向行为的稳健空间编码。这种编码在学习过程中得到塑造，并且RSC在将行为相关的视觉线索转化为空间导航的神经信号方面起着关键作用。
本研究的价值与意义体现在多个层面：在科学价值上，它首次在神经元水平上提供了明确的“地标编码”证据，深化了我们对大脑空间认知回路，特别是RSC功能的理解。它揭示了感觉与运动信息在联合皮层进行超线性整合的计算原理，为理解复杂认知功能的神经基础提供了新视角。研究还阐明了RSC与初级感觉皮层V1在信息处理上的层级关系，V1提供调谐的视觉输入，而RSC则根据行为相关性对其进行情境化调制。在应用价值上，该研究为理解阿尔茨海默病等神经退行性疾病中早期出现的空间定向障碍症状提供了潜在的神经机制解释，RSC的功能障碍可能是其核心。所开发的虚拟现实行为范式与成像技术结合的方法，为研究高级认知功能的神经机制提供了有力工具。
本研究的亮点在于：1. 重要发现：清晰揭示了RSC神经元以地标为中心的空间编码特性，并证明了这种编码依赖于主动导航和超线性整合。2. 方法新颖性：巧妙设计了结合虚拟现实、双光子成像、光遗传学和“解耦刺激呈现”范式的实验流程，能够有效分离感觉、运动和行为背景的贡献。3. 研究对象的特殊性：聚焦于研究相对较少的RSC无颗粒区（A30），并首次系统描述了其在该类地标任务中的反应特性。4. 跨层次验证：不仅记录了RSC局部神经元的活动，还通过轴突成像追溯了其重要输入源V1的信息特性，从而构建了从感觉输入到联合皮层处理的更完整图像。
其他有价值的内容包括：研究观察到RSC浅层（2/3层）和深层（5层）神经元在任务特征编码上存在差异，深层含有更少的地标对齐神经元。此外，只有少数地标神经元对特定地标身份（竖条纹vs斜条纹）表现出选择性，表明RSC主要编码地标的空间意义而非其具体视觉特征。这些细节进一步丰富了我们对RSC微环路功能组织的理解。