在黑暗中穿越陌生房间时，许多动物能自然地感知空间。例如，老鼠通过触须触碰墙壁和障碍物，能够有效地在黑暗中导航。麻省理工学院的脑科学与认知科学教授Fan Wang发现，老鼠脑干中的神经元利用触须的信号来估计物体与面部的距离。她的团队在《Neuron》期刊上发布的研究成果，揭示了大脑用于表示身体周围空间的关键电路。
空间映射
该团队发现的电路是大脑创建自我中心空间地图的一部分，即理解物体相对于自身位置的方式。神经科学家们知道，大脑调用特定电路以这种方式理解空间，这与其使用外部标志物映射空间的系统不同。Wang及其团队研究了大脑如何映射体周围的空间，称为人际空间，这是我们移动的空间，理解物体相对于我们身体的位置至关重要。
Wang表示，老鼠是研究大脑如何理解人际空间中物体距离的理想模型，因为它们的触须就像内置的测量尺。这些触须在探索环境时，会摆动并弯曲，其机械感受通过基部的感觉神经元传递到大脑。当触须靠近面部弯曲时，这些神经元的活动更为频繁，传达触碰的接近信息。
Wang的团队想知道大脑是否利用这些信号构建比“近”或“远”更精确的内部距离表示。研究生Wenxi Xiao和研究科学家Kyle Severson监测了脑干一个小的感觉处理区域的神经活动，该区域是触须信号初次到达大脑的地方。研究发现，当老鼠在跑步机上行走时，触须与不同距离的墙壁接触，该区域的许多神经元对触须弯曲非常敏感。
触须规则
一些神经元与获取信息的感觉神经元表现相似，当墙壁靠近面部时，它们的活动增加，形成基于接近的距离编码。而其他神经元则对特定距离敏感，仅在触碰墙壁的距离处于一定范围内时才会激活。Wang解释说，“这些神经元各自代表一个特定距离，合在一起就像尺子上的刻度。”
团队还想了解大脑如何将不同触须的接近信号转换为物体距离的准确地图编码。Wang指出，单独监听每个触须神经元不足以得出准确的距离，需要一个大脑电路来构建统一的距离地图。通过计算建模和操控神经信号，团队展示了如何通过比较来自不同感觉神经元的输入来计算距离。
这些发现表明，构成地图编码的每个脑干神经元都接收来自接近感应触须神经元的直接兴奋性输入，以及来自受接近依赖的触摸信号驱动的神经元的抑制性输入。Wang解释道：“抑制路径允许脑干通过减法比较两个输入。如果一个输入表示‘这就是距离’，另一个则表示‘这是我估计的距离’，将两者相减可得出一个中间值。”
尽管大脑以身体为中心的空间表示至关重要，但迄今为止，神经科学家对此关注甚少。Wang希望进一步研究她团队发现的人际地图编码如何与其他大脑系统整合，以指导运动和社会互动等行为，并希望这些发现能推动其他研究团队的探索。
该研究得到了国家卫生研究院的资助。
博主点评： 这项研究深入探讨了老鼠如何通过触须感知周围空间，为理解动物和人类在复杂环境中导航的神经机制提供了重要线索。未来的研究不仅有助于揭示大脑的空间认知功能，还可能对机器人感知系统的发展产生影响。