关于内侧前额叶皮层中发现无θ节律性边界细胞的学术研究报告

本研究由来自陆军军医大学新桥医院神经外科的龙晓阳 (Xiaoyang Long)、邓彬 (Bin Deng)、沈瑞 (Rui Shen)、杨林 (Lin Yang)、陈丽萍 (Liping Chen)、冉庆霞 (Qingxia Ran)、杜鑫 (Xin Du) 和张盛甲 (Sheng-Jia Zhang) 团队完成。研究成果以题为“Border cells without theta rhythmicity in the medial prefrontal cortex”的论文形式，于2024年6月10日发表在权威学术期刊《美国国家科学院院刊》（PNAS，Proceedings of the National Academy of Sciences）第121卷第25期上。

一、 研究背景 空间导航是一项复杂的认知功能，依赖于多个脑区的协同工作。其中，海马体（hippocampus）在空间记忆的形成与提取中的作用已被广泛认知，其内的位置细胞（place cells）、网格细胞（grid cells）和边界细胞（border cells）构成了环境的“认知地图”。内侧前额叶皮层（medial prefrontal cortex， mPFC）是负责决策、目标导向行为等高级认知功能的关键脑区，其与海马体之间的功能互动被认为对协调空间记忆至关重要。然而，在自由探索的自然行为状态下，mPFC神经元是否以及如何编码空间信息，其空间编码特性（如是否存在类似海马的边界细胞）及其神经活动模式（如是否受海马θ节律驱动）一直是未解之谜。先前研究多在特定任务（如目标导向任务）中观察到mPFC的时空编码，而在自由觅食范式下的结果存在矛盾。因此，本研究旨在直接探究在自由探索行为中，mPFC神经元是否表现出对几何边界的空间调谐特性，并阐明其与经典海马边界细胞的异同，特别是其与海马θ节律的关系。

二、 研究方法与工作流程 本研究采用在体多通道电生理记录技术，结合多种环境操控行为学范式，对自由活动的大鼠mPFC神经元活动进行了系统性研究。

1. 研究对象与手术植入：研究使用了10只成年雄性Long-Evans大鼠作为实验对象。通过立体定位手术，在大鼠mPFC的腹侧部分（主要包括前边缘皮层（prelimbic cortex）和下边缘皮层（infralimbic cortex））植入可移动的四极丝阵列（tetrode）微驱动装置。实验后通过组织学染色（尼氏染色）和电解损毁点确认记录位点位于目标脑区深部（第V/VI层）。

2. 数据采集与行为范式：在记录期间，大鼠被放置在一个1米×1米、围墙高50厘米的方形开放场中自由觅食（随机投放食物丸）。研究人员系统性地操控环境以探究边界表征的特性：

   • 基础记录：在标准方形场地中记录神经元活动，作为基线。
   • 插入新墙壁：在场地内垂直或水平插入一面墙，以测试神经元对新增物理边界的反应。
   • 放置小物体：在场地中央放置两个小型立方体物体，以测试神经元对非墙体边界的反应。
   • 黑暗环境测试：在完全黑暗的条件下进行记录，以检验边界表征对视觉输入的依赖性。
   • 无墙高台测试：将大鼠置于一个四周有50厘米落差的开放式高台上（无物理围墙），以区分神经元是对物理边界还是几何“悬崖”边界反应。
   • 环境形状与新颖性测试：分别在方形和圆形场地、以及在不同房间（熟悉和新颖环境）中进行记录，以检验边界表征对环境几何形状和背景变化的敏感性。
   • 目标导向任务：在固定位置给予奖励，以区分边界编码与奖赏相关编码。

3. 数据处理与分析：

   • 神经元分类：从总共记录的983个良好分离的单单位中，使用标准的边界分数（border score）和空间稳定性（spatial stability）计算来识别边界细胞。边界分数量化了神经元放电率在环境边界附近的增加程度，阈值设定为经过数据打乱（shuffle）后生成的零分布（null distribution）的99百分位数（0.58）。
   • 亚型分类：进一步根据神经元对边界的反应是否具有方向性，将边界细胞分为三类：自我中心（egocentric）边界细胞（仅在边界位于动物特定一侧时放电，如左侧或右侧）和异我中心（allocentric）边界细胞（无论边界在动物哪一侧，只要靠近边界就对称放电）。分类依据是动物沿边界顺时针与逆时针运动时的放电率比值。
   • 自我中心边界图（Egomentric Boundary Ratemap, EBR）分析：构建了以动物头部方向为参照的边界距离-角度调谐图，定量分析自我中心调谐的强度和偏好角度。
   • θ节律性分析：计算了每个神经元的θ节律性指数（theta rhythmicity index, TRI），以评估其放电是否受θ波段（4-12 Hz）振荡的调制。
   • 细胞类型鉴别：根据平均放电率和动作电位波形特征（如峰-谷时程），将神经元初步分类为可能的兴奋性锥体细胞（规则放电， RS）和抑制性中间神经元（快速放电， FS）。

三、 主要研究结果 1. mPFC中存在边界细胞：在自由探索的方形场地中，11.19%（110/983）的mPFC神经元被鉴定为边界细胞，其比例显著高于随机水平。这些细胞在动物接近环境围墙时放电率显著增加。与内侧内嗅皮层（medial entorhinal cortex， MEC）中大多数边界细胞只沿单面墙放电不同，本研究中高达90.91%的mPFC边界细胞同时沿着环境的四面墙放电，呈现“四壁环绕”式的调谐模式。

1. 自我中心与异我中心编码共存：对边界细胞的细化分析揭示了一个重要发现：mPFC中的边界细胞同时包含了异我中心和自我中心两种空间参考系的编码。其中，46.36%为异我中心边界细胞，35.45%为右侧自我中心边界细胞，18.18%为左侧自我中心边界细胞。自我中心边界细胞表现出强烈的方向选择性，其偏好方向与边界相对于动物身体（左侧或右侧）的位置相关。值得注意的是，自我中心调谐表现出明显的半球偏侧化倾向：所有右侧自我中心细胞（即对右侧边界反应的细胞）均记录自左半球，而左侧自我中心细胞更多记录自右半球，提示其感觉输入来源的特性。

2. 边界表征的稳定性和普遍性：

   • 对新边界的响应：当在场地中插入新的墙壁时，无论是异我中心还是自我中心边界细胞，都会在新插入的墙壁两侧诱导出新的放电野，且其调谐特性（如自我中心细胞的方向偏好）与原始墙壁平行。
   • 对小物体的响应：mPFC边界细胞也对放置在场地中的小型物体的边界产生反应，放电率与沿墙时相当，且自我中心细胞对物体边界的左右方向反应模式与对墙壁的反应相反，进一步证实了其自我中心编码的本质。
   • 对黑暗的稳定性：在完全黑暗的条件下，边界细胞的平均放电率、边界分数以及自我中心的方向调谐均保持稳定，表明其边界表征不依赖于视觉输入。剪除胡须也不影响边界反应，排除了主要依赖触觉的可能。
   • 对物理边界的依赖：在无墙的高台（仅有落差边界）上，虽然部分细胞仍显示出对“悬崖”边界的微弱反应，但边界分数显著下降，空间相关性降低，且自我中心细胞的方向调谐被打乱。这表明mPFC边界细胞的稳健表征更依赖于物理接触性边界，而非单纯的几何落差。
   • 对环境变化的不变性：边界细胞的表征在不同形状（方 vs. 圆）的环境、以及在不同（熟悉或新颖）的房间中保持稳定，表明其编码的是相对固定的边界几何属性，而非特定环境背景。

3. 与奖赏编码分离：分析表明，边界细胞的放电模式并非由动物在边界附近寻找奖励的行为所驱动。在移除奖励影响的分析中，以及在与专门编码奖励位置的“奖赏相关细胞”的对比中，边界细胞的特性得以保留，说明两者是mPFC内共存的、功能不同的神经元群体。

4. 缺乏θ节律性：一个关键且与海马系统显著不同的发现是，mPFC边界细胞在自由觅食行为中几乎不表现出θ节律性。只有极少数（2.73%）边界细胞显示θ节律调制，其比例与非边界细胞无差异，且整体θ节律性指数很低。这表明mPFC的边界表征在自发运动状态下，独立于海马的θ节律起搏（entrainment），可能反映了一种与任务态不同的神经计算模式。

四、 研究结论与意义 本研究首次在自由行为动物的大脑高级认知中枢——内侧前额叶皮层中，发现并系统表征了一类具有独特特性的边界细胞。其主要结论是：mPFC（前边缘/下边缘皮层）在自然探索状态下能够编码环境的几何边界，且这种编码兼具异我中心和自我中心两种参考系；这些边界表征稳定、依赖于物理边界、且不依赖于视觉输入；最关键的是，mPFC边界细胞的放电缺乏海马系统标志性的θ节律性。

本研究的科学价值在于： 1. 拓展了空间表征的脑区分布：研究强有力地证明，空间边界信息并非仅由海马-内嗅皮层系统专属编码，而是广泛分布于包括高级联合皮层在内的多个脑区。这支持了“空间表征是大脑皮层一种普遍计算特征”的观点。 2. 揭示了mPFC空间编码的独特性：mPFC边界细胞“四壁环绕”的调谐模式、自我/异我中心编码的共存、以及对θ节律的独立性，均使其与经典的海马或内嗅皮层边界细胞区分开来，提示mPFC可能以更整合、更抽象或更行为相关的方式处理空间边界信息。 3. 为空间认知的神经机制提供新见解：自我中心和异我中心编码在同一个脑区内共存，可能为空间导航中不同参考系信息的快速转换与整合提供了神经基质。mPFC可能利用这些边界信息，在路径整合、路线规划、以及将存储的异我中心地图转化为自我中心导向的行动等高级认知功能中发挥关键作用。 4. 深化了对前额叶-海马环路的理解：mPFC边界细胞缺乏θ节律性的发现表明，在非任务驱动的自由探索状态下，mPFC的空间编码可能相对独立于海马的时序性控制。这提示前额叶-海马互动存在状态依赖性，在执行具体空间工作记忆任务时观察到的强θ同步，可能是一种任务需求驱动下的动态耦合模式。

五、 研究亮点 1. 重要发现：首次在mPFC中鉴定出边界细胞，并详细刻画了其兼具自我与异我中心编码的双重特性，这是对空间神经生物学的重要补充。 2. 方法系统全面：研究采用了多参数、多条件的环境操控范式（插入墙、物体、黑暗、高台、不同形状/房间），从多个角度严谨地验证了边界表征的属性，结论坚实。 3. 关键对比性发现：明确揭示了mPFC边界细胞与海马系统边界细胞在调谐模式（四壁 vs. 单壁）和节律特性（无θ节律 vs. 有θ节律）上的根本差异，突出了前额叶皮层空间处理的独特性。 4. 理论意义深远：研究不仅发现了一类新细胞，更重要的是挑战了空间编码集中于“海马 Formation”的传统观念，推动了空间认知神经基础向全脑分布式网络的理解。

这项研究为理解大脑如何构建和利用空间信息提供了全新的视角，将前额叶皮层置于空间认知网络的核心位置，强调了其在整合不同参考系信息以支持灵活导航和决策中的潜在重要作用。