更新时间：2024-09-21 03:50
网格细胞（英文：Grid cell）是动物大脑中的一种细胞，存在于内嗅皮层，具有显著的空间放电特征，并呈现出网格图样的放电结构。它的主要作用是帮助动物和人类认路。网格细胞是在2005年由挪威科维理系统神经科学研究所的爱德华·莫索尔、迈-布里特·莫泽及其团队成员首次发现的。莫泽夫妇和约翰·欧基夫因“发现构成大脑定位系统的细胞”共同获得了2014年的诺贝尔生理学或医学奖。
动物和人类一般依靠三种类型的细胞来认路，包括方向细胞、位置细胞和网格细胞。然而，直到2005年，人类才确认大脑中存在网格细胞。Hafting等人通过变换实验箱的几何外形和内径，记录大鼠在不同实验箱觅食过程中内嗅皮层的神经元放电活动，发现了具有强烈空间放电特性的网格细胞。在有关嗅皮层参与空间记忆的早期实验探索中，研究者们发现嗅皮层存在空间放电特征的神经元，但较之位置细胞，嗅皮层神经元的放电比较微弱且放电野分散。因此，在长达30年的空间记忆的神经机制研究中，多数学者只关注于海马体神经网络内部的研究。但有关研究发现在嗅皮层记录到微弱放电特征的细胞仅仅出现在内嗅皮层的中间及腹侧，更多研究证实嗅皮层背侧神经元具有强烈的空间放电活动，这一脑区神经网络的关键成分就是“网格”细胞。当大鼠在二维空间中活动时，网格细胞对应于一个特定的空间位置发生重复性规律放电，这个相对狭小的空间范围称为网格细胞的放电野，多个放电野相互交叠成一个个节点，即网格节点。连接网格节点形成相连接的三角形遍及整个空间环境，基于这种网格结构，将在dMEC发生强烈空间放电特征的神经元称之为网格细胞。动物在活动空间中到达任一网格节点时，都有相应的网格细胞发生最大放电。2013年，《新科学人》杂志报道了一项实验证明，在人类的内嗅皮层外观察到了网格细胞，并推测可能有一个巨大的网格细胞网络，帮助人类形成记忆情景。
为了探寻人类大脑中是否确实存在网格细胞，美国德雷塞尔大学的约书亚·雅各布斯和同事对14名志愿者进行了测试。这些志愿者都为治疗癫痫而在大脑中植入了电极。研究人员让志愿者玩一个电脑游戏，从而记录他们大脑中一系列单细胞的活动情况。在该电脑游戏中，志愿者驾车行驶在开阔空间中，他们要搜寻一些物体，并记住他们找到物体的地点。然后，他们必须尽快再次确定这些物体的位置，不过这次，除非志愿者到达正确的目的地，否则他们就无法看到这些物体。电脑的虚拟环境缺乏特定的视觉线索来提示物体的位置，研究人员希望志愿者能对物体的位置形成一个心理图像，这要求被测试者使用网格细胞。研究表明，单细胞有规律地进行发射，形成类似动物大脑中可见的那种三角形模式。同动物的情况一样，这些单细胞大多数存在于内嗅皮层和扣带皮层中。一些细胞出现在同形成新的情景记忆有关的前额叶皮层上。在内嗅皮层外观察到了网格细胞，这是人类拥有网格细胞的首个直接证据。
网格细胞的放电野与空间位置有着准确的对应关系，一个网格细胞只对应于一个放电野，放电野遍及实际空间环境的整个范围，即大鼠在到达空间环境的任一网格节点处，都有相对应的网格细胞发生最大放电。网格细胞的放电野相互聚集，形成一个个的节点将整个的空间环境划分成一种规则的网格结构图，简称网格图。网格节点之间的距离是相等的（39~73 厘米，标准差为3.2 厘米），节点之间形成的角度为60°，连接各个节点，即呈现出等边三角形阵型。空间范围扩大时，网格结构不发生改变，节点之间的距离不变，但节点数量增多，即网格结构密度不变，使放电野范围具有无限扩大的可能。
网格细胞独特的放电特征，以及它与位置细胞之间存在的特殊联系，都为空间记忆的神经机制的研究提供了新的视角。关注网格细胞与位置细胞的交互作用、内嗅皮层与海马体在记忆储存中的重要性，明确网格细胞的自身特性、网格图的形成机制，以及网格图在内嗅皮层上所具有的地形特征，对于完善空间记忆的研究具有重要意义。对存在认路困难的人来说，对有关神经回路的任何发现都会很有帮助。在未来可以研发一些药物或大脑刺激技术，并利用这类技术来改善网格细胞的活动。
有关网格图形成的理论模型目前有两大类：第一类为局部神经元网络模型（local network activity）。这一模型的发展最早依据的是Rolls \u0026 Treeves 提出的理论，他认为神经网络可以有多个“吸引子”，每个“吸引子”对应于空间环境中的一个位点，通过“吸引子”之间的相互联系来实现神经网络对整个空间环境的编码作用（Rolls \u0026 Treves, 1998）。McNaughton等人2006年提出在生命早期，内嗅皮层具有地图形的神经网络，它以“教导员”的角色训练网格细胞遵从Hebb分布规律形成模块，空间环境的“吸引子”表征也由此形成（McNaughton, Battaglia, Jensen, Moser, \u0026 Moser, 2006）。正是依据内嗅皮层分子排列方式的特异性，以及网格细胞放电参数中“间距”和“方位”呈现出的地图形特征，Fuhs \u0026 Touretzky 2006年提出内嗅皮层有大量的网格细胞集群，每个细胞集群具有相同的网格间距和方位，细胞集群中网格细胞位相的随机变化，而相邻细胞集群间的位相又具有连续性（Fuhs, Touretzky, 2006）。这一观点很大程度上印证了MaNaughton的假说，也解释了网格细胞位相上的不规则性，细胞集群形成了不同的“吸引子”单元对空间环境进行表征（Moser, Kropff, \u0026 Moser, 2008）。这一模型简易、形象，将网格细胞放电结构特征与神经网络的细胞排列特征进行了对应，对于深入研究网格细胞放电特征具有启迪作用，然而不能有效地反映出网格细胞的放电机制。第二类主要集中于Burgess 2007年提出的振荡干扰模型（oscillatory interference mechanism），它是在位置细胞放电的双向振荡干扰模型的基础上提出的，即将两个不同来源的theta波进行叠加，呈现出一种相位进程（Burgess, Barry, \u0026O’Keefe, 2007）。当大鼠在空间环境中活动时，嗅皮层-海马系统中脑电图现出8~12Hz的theta波振荡。O’Keefe \u0026 Recce 于1993发现当大鼠在放电野范围中活动时，海马位置细胞放电呈现theta波震荡（O’Keefe \u0026 Recce, 1993）。Hafting等人于2006年也发现了嗅皮层网格细胞的这种特点（Hafting, Fyhn, Moser, \u0026 Moser, 2006）。此外，在嗅皮层-海马系统中，内嗅皮层的以下解剖和功能特征也支持这一理论模型：1）内嗅皮层第Ⅱ层含有的星状细胞（网格细胞），在theta波频范围内呈现出局部阈下膜电位振荡（intrinsic sub-threshold membrane potential oscillations）特征；2）内嗅皮层接受前下托的信息投射，获得头部朝向的信息。不同头向细胞投射来的方向信息通过内嗅皮层神经元不同树突的theta波振荡反映出来，并进行叠加整合。躯体输入的theta波振荡（速度信息）与各神经元theta波振荡（方向信息）上的相位差整合过程实际是速度信息的整合过程，即此完成路径整合过程中利用自身运动信息（方向和速度）实现空间记忆的编码功能（Burgess, Barry, \u0026 O’Keefe, 2007；Hasselmo, Giocomo, \u0026 Zilli, 2007；Blair, Welday, \u0026 Kechen, 2007）。这一模型较之双向振荡干扰模型更易形成三角形密布的网格结构（Burgess, Barry, \u0026 O’Keefe, 2007），也从侧面印证了多线性振荡干扰模型的可靠性。躯体信息的theta波振荡与各神经元的theta波振荡进行整合，经过一个慢速调整，得到体现各偏爱方向的空间线形振荡波，多个线形振荡波在空间结构中交叉整合，得到三角形密布的网格结构图，且三角形之间相互成60°，网格节点即为波峰重叠点，相应放电参数由神经网络的整体活动所调节。
嗅皮层网格图式的放电结构引发了广泛关注，研究者认为网格细胞可能是空间定位导航系统的重要组成成分。在动物进行空间定向时，大脑不断读取运动过程中线性及非线性的自身运动信息，并利用空间中各个位点的信息进行计算和整合。基于动物自由觅食活动的研究，这一过程被称为路径整合（path integration, PI），即动物在不断运动的过程中，时刻保持与环境中重要位置的向量关系，且这种矢量关系不断得到更新。这种整合为动物的内部空间记忆提供随时更新的位置信息，尤其是方位、间距等。此外，路径整合具有自动性和持续性，可以使动物在空间活动的任何位置、任何时间终止或开始。在这一过程中路径整合器发挥着关键作用，它依赖于一种内部作用机制，能够在不使用外界线索的条件下实现路径计算（Etienne \u0026 Jeffery, 2004）。早前有研究发现海马位置野在黑暗条件下仍然能保持，这促进了人们对空间定位系统中路径整合器的探索（Leutgeb, Leutgeb, Moser, \u0026 Moser, 2005）。然而海马体似乎并不是路径整合器的所在地，因为一个位置细胞可以对应于多个放电野，交错重叠的多个放电野不能精确反映随自身运动而不断变化的空间位置信息（O’Keefe \u0026 Burgess, 2005; Moser, Kropff, \u0026 Moser, 2008）；网格细胞被证实具有路径整合器的功能，它与放电野的一一对应关系，以及网格图式的放电结构使得内嗅皮层与整个空间环境之间建立了稳定而有效地靶向关系，且能保障在空间向量关系上发生同步变化（Hafting, Fyhn, Molden, Moser, \u0026 Moser,2005; Guanella \u0026 Verschure, 2006; Fyhn, Hafting, Treves, Moser, \u0026 Moser, 2007）。嗅皮层-海马回路为空间记忆的动态表征提供了有效保障。来自内嗅皮层的空间信息和嗅周皮层的非空间信息在海马体内进行整合（Hargreaves, Rao, Lee, \u0026 Knierim, 2005），当动物再次进入熟悉环境时，存储在海马中的空间和非空间信息激活了内嗅皮层的路径整合器，这一功能通过海马与嗅皮层间的信息联系得以实现（Witter \u0026 Moser, 2006）。网格细胞利用自身运动中的速度和方向信息，获得适时的空间动态表征以确定动物在空间环境中的相对位置。此外，海马传入的反馈信息能够调整网格细胞利用自身运动信息进行整合时发生的累积错误，确保网格图的准确性和稳定性（Fyhn, Hafting, Treves, Moser, \u0026 Moser, 2007）。综之，网格细胞利用自身运动信息进行空间编码，在路径整合过程中充当了路径整合器的功能，所形成的稳定网格结构对于大脑形成空间动态表征不可或缺，发挥着重要的作用。
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