摘要： 空间认知作为动物生存的关键能力，其神经基础及发育过程一直是神经科学领域的研究热点。过往研究已在海马体等脑区发现多种与空间认知相关的细胞，但对于这些细胞在动物出生后早期的功能及发育变化过程仍存在诸多疑问。本文详细阐述了南方科技大学与中国科学院深圳先进技术研究院合作团队在《Nature Communications》上发表的研究成果，该研究通过对幼年大鼠海马体 CA1 脑区的长期记录，揭示了早期位置细胞和晚期位置细胞的动态发育过程，为深入理解空间认知能力的发育以及海马体功能发育中的 “先天 - 后天” 相互作用提供了关键证据，同时也为进一步探索人类空间认知的奥秘奠定了坚实基础。

一、引言

在动物的生存世界里，空间认知能力犹如一把神奇的钥匙，开启了导航、记忆与环境适应的大门。从寻找食物的觅食之旅到寻觅安全栖息地的归巢之行，空间认知能力贯穿始终，确保动物个体在复杂多变的环境中得以生存繁衍。对于人类而言，这一能力更是在日常生活中无处不在，从熟悉的城市街道导航到记忆家庭住址、工作场所的位置，空间认知能力都在默默地发挥着作用。

在神经科学领域，过往的研究已经在大脑的海马体中找到了能够编码空间位置的细胞，在内侧内嗅皮层中发现了独特的网格细胞，其放电模式呈六边形网格状分布于环境中的多个特定位置，而在背侧前下托等脑区则存在编码动物头方向信息的头方向细胞。这些重要发现为空间认知的神经基础研究绘制了一幅初步的蓝图。然而，就像一幅尚未完成的画卷，这些细胞在动物出生后的发育早期究竟扮演着怎样的角色？它们的功能是如何从稚嫩走向成熟的？发育早期神经网络的功能及变化过程又如同隐藏在迷雾中的谜题，亟待科学家们去揭开神秘的面纱。

二、研究背景（一）空间认知的重要性及神经基础

空间认知能力涵盖了对空间位置、方向、距离等多方面信息的感知、处理与记忆。它不仅仅是简单的地理信息识别，更是涉及到复杂的神经心理过程。在大脑的神经结构中，海马体及其相关脑区被认为是空间认知的核心区域。海马体中的位置细胞能够对动物所处的特定空间位置产生特异性的反应，当动物进入某个特定的空间区域时，相应的位置细胞就会被激活放电。这种独特的编码机制为空间认知提供了一种细胞层面的 “地图绘制” 功能。内侧内嗅皮层的网格细胞则以其规则的六边形网格状放电模式，为空间认知增添了更为精细的坐标体系，帮助动物在环境中进行精确的定位与导航。而头方向细胞则专注于感知动物头部的朝向信息，与位置细胞和网格细胞相互协作，共同构建起一个完整的空间认知神经网络。

（二）发育早期研究的空白

尽管我们已经对成年动物大脑中的这些空间认知相关细胞有了一定的了解，但对于它们在动物出生后发育早期的情况却知之甚少。在发育早期，动物的大脑处于快速发育和可塑性极强的阶段，空间认知能力也在逐步形成和完善。然而，这些细胞在这个关键时期是如何被激活的？它们的功能是否已经完备？随着发育的推进，它们又经历了怎样的变化过程？这些问题犹如黑洞一般，吸引着科学家们深入探究，因为解开这些谜团将有助于我们全面理解空间认知能力的形成机制，为研究人类的认知发展以及相关神经疾病的发生机制提供宝贵的线索。

三、研究目的

本研究旨在深入探索海马体空间认知功能在动物出生后发育过程中的机制，重点关注早期位置细胞和晚期位置细胞的功能特性、发育变化以及它们在海马体神经网络中的相互作用关系。通过详细的实验研究，揭示这些细胞在空间认知能力从先天基础到后天学习适应过程中的演变规律，为填补空间认知发育早期研究的空白提供关键数据，从而进一步推动对大脑空间认知 “先天 - 后天” 相互作用机制的深入理解。

四、研究设计与方法（一）实验动物与脑区选择

本研究选取了幼年大鼠作为实验对象，这是因为大鼠在神经科学研究中是一种常用的模式动物，其大脑结构和功能与人类大脑有一定的相似性，且其生长发育周期相对较短，便于进行从出生后早期到相对成熟阶段的长期观察研究。研究团队将目光聚焦于海马体 CA1 脑区，这是基于以往研究对海马体在空间认知中重要性的认识，以及 CA1 脑区在空间信息处理和记忆形成过程中所起的关键作用。

（二）单光子钙成像技术的应用

为了对幼年大鼠海马体 CA1 脑区的细胞活动进行长期、精准的监测，研究团队采用了单光子钙成像技术。该技术的原理是基于细胞内钙离子浓度的变化与细胞活动密切相关。当神经元兴奋时，细胞膜上的钙离子通道打开，细胞外的钙离子流入细胞内，导致细胞内钙离子浓度升高。而通过特定的钙指示剂，可以将这种钙离子浓度的变化转化为荧光信号的强弱变化，进而被成像设备捕捉记录。在本研究中，研究人员将钙指示剂注入到幼年大鼠海马体 CA1 脑区，然后利用单光子成像设备对自由移动的大鼠进行从第 17 天至第 28 天的长期记录。这种长期记录方式能够完整地捕捉到细胞在发育过程中的活动动态变化，为研究细胞的功能发育提供了丰富的数据来源。

（三）实验环境设置与测试

为了全面评估位置细胞的空间编码能力，研究团队设置了两种不同的实验环境：线性轨道和开放旷场。在线性轨道环境中，大鼠只能沿着一条特定的直线轨道移动，这种环境相对简单且具有明确的方向性，便于研究位置细胞对特定路径上空间位置的编码情况。而开放旷场则是一个较大的、没有明显边界限制的空间，大鼠可以在其中自由探索，这种环境更接近自然状态下动物的活动空间，能够测试位置细胞在复杂、自由探索环境中的空间编码能力。在这两种环境下，研究团队分别记录大鼠在活动过程中海马体 CA1 脑区细胞的活动情况，并分析不同细胞对空间位置的响应特性。

（四）高分辨率双光子显微成像技术的补充

除了单光子钙成像技术外，研究团队还运用了高分辨率双光子显微成像技术。该技术相较于单光子成像技术具有更高的分辨率和更深的成像深度，能够对海马体 CA1 脑区的深层和浅层神经元进行更为精细的监测。通过这种技术，研究人员可以深入探究不同层神经元在空间认知功能发育过程中的差异，进一步丰富对海马体神经网络结构与功能关系的认识。

五、主要研究发现（一）早期位置细胞的特性与功能

空间编码能力的普遍性：通过单光子钙成像技术对自由移动的幼年大鼠海马体 CA1 脑区进行长期记录，并在线性轨道和开放旷场两种环境下测试后发现，在发育早期就出现了编码空间信息的早期位置细胞。这些早期位置细胞在多个环境中都展现出了较高的空间编码能力，无论是在相对简单的线性轨道环境还是在复杂的开放旷场环境中，它们都能够对大鼠所处的空间位置进行有效的编码。这表明早期位置细胞具有一定的普遍性和适应性，能够在不同的空间情境下发挥作用。跨天稳定性差异：然而，与发育晚期和成年动物的位置细胞相比，早期位置细胞的位置场在跨天的稳定性上相对较弱。这意味着早期位置细胞虽然能够编码空间信息，但它们对特定空间位置的记忆和识别能力在短期内可能存在一定的波动。尽管如此，这一特性也暗示了早期位置细胞可能构成了初步认知地图的重要基础。对于新生个体而言，在其大脑尚未完全发育成熟、空间认知能力还在逐步构建的阶段，这种初步的认知地图能够为其提供一种先天的导航能力，帮助它们在相对熟悉的环境中进行简单的活动，如寻找母亲、回到巢穴等。（二）晚期位置细胞的发育与功能

随着大鼠的发育，更多的细胞逐渐发育成为位置细胞，这些细胞被称为晚期位置细胞。研究发现，晚期位置细胞的空间编码能力在发育早期呈现出迅速增强的趋势。在出生后的一段时间内，晚期位置细胞不断地优化和完善自己对空间信息的编码能力，使其能够更加精准地对环境中的空间位置进行识别和标记。相比之下，早期位置细胞在发育早期的空间编码能力并没有显著提高，这进一步凸显了晚期位置细胞在后天学习过程中的重要性。晚期位置细胞的这种发育特性可能为个体在后天学习的过程中提供了强大的环境适应能力。随着动物与环境的互动日益增多，晚期位置细胞能够不断地学习和整合新的空间信息，从而使个体能够更好地适应复杂多变的环境，如探索新的领地、寻找新的食物来源等。

（三）海马体细胞集群的同步性变化

研究还观察到了一个有趣的现象，随着大鼠的发育，海马细胞集群的同步性逐渐增加。在这个过程中，早期位置细胞更倾向于形成高度同步的细胞集群。这种细胞集群的同步性变化对于海马体空间认知能力的提高具有重要意义。从神经生物学的角度来看，细胞集群的同步性增强意味着不同细胞之间的信息交流与协同工作能力得到了提升。在空间认知过程中，多个位置细胞之间的协同作用能够更加有效地整合空间信息，形成更为完整和精确的认知地图。例如，当动物在环境中移动时，不同位置的早期位置细胞通过同步的活动，将各自所编码的空间信息进行整合，从而使动物能够更加准确地感知自己的位置和周围环境的空间结构。

（四）海马体 CA1 脑区深层与浅层神经元的差异

通过高分辨率双光子显微成像技术对海马体 CA1 脑区的深层和浅层神经元进行精细监测后发现，早期位置细胞在海马体 CA1 的深层和浅层都存在分布。然而，深层细胞的同步性显著高于浅层细胞。这一发现揭示了海马体 CA1 脑区内不同层神经元在空间认知功能发育过程中的结构与功能差异。深层神经元的高同步性可能暗示着它们在空间认知的核心信息处理过程中扮演着更为关键的角色，可能承担着整合和传递重要空间信息的任务。而浅层神经元虽然同步性相对较低，但它们也参与到空间认知的过程中，可能与其他脑区进行信息交互，或者在空间信息的初步处理和筛选方面发挥作用。这种分层结构与功能的差异进一步丰富了我们对海马体神经网络复杂性的认识，为深入理解空间认知的神经机制提供了新的视角。

六、结论与意义（一）对空间认知发育机制的新认识

本研究通过对幼年大鼠海马体 CA1 脑区的深入研究，揭示了早期位置细胞和晚期位置细胞的动态发育过程，为认识空间认知能力的发育提供了全新的视角。以往对于空间认知的研究多集中在成年动物或相对成熟的大脑模型上，而本研究则聚焦于发育早期这一关键时期，填补了这一领域的研究空白。研究发现早期位置细胞在出生后早期就具备了一定的空间编码能力，为新生个体提供了先天的导航基础，而晚期位置细胞在后天学习过程中空间编码能力迅速增强，为个体适应复杂环境提供了有力支持。这种从先天到后天的发育过程展示了空间认知能力逐步构建和完善的机制，打破了以往对空间认知单一阶段研究的局限性。

（二）为 “先天 - 后天” 相互作用提供关键证据

海马体功能发育过程中的 “先天 - 后天” 相互作用一直是神经科学领域的一个重要研究课题。本研究的成果为这一相互作用提供了关键证据。早期位置细胞的先天导航能力为新生个体在早期的生存提供了保障，使它们能够在有限的环境中进行基本的活动。随着个体的成长和后天学习经验的积累，晚期位置细胞逐渐发挥作用，不断优化和扩展空间认知能力，使其能够适应更为广泛和复杂的环境。这种先天与后天因素在空间认知能力发育过程中的协同作用，有助于我们更好地理解大脑发育过程中遗传因素与环境因素的相互关系。在人类的认知发展过程中，这一发现也具有重要的启示意义。它提示我们在儿童的成长过程中，既要重视遗传因素所赋予的先天认知基础，也要注重通过丰富的环境刺激和教育培养来促进后天认知能力的发展。

（三）对神经科学及相关领域的推动作用

基础神经科学研究：本研究的成果为基础神经科学领域对海马体空间认知功能的研究提供了丰富的数据和新的理论依据。研究中关于早期位置细胞、晚期位置细胞的特性以及海马体细胞集群同步性和 CA1 脑区深层与浅层神经元差异的发现，将进一步推动科学家们对海马体神经网络结构与功能关系的深入探究。这些发现可能会引发更多关于神经细胞发育、信息传递与整合机制的研究，有助于构建更加完整的空间认知神经生物学理论体系。神经疾病研究：在神经疾病领域，许多疾病如阿尔茨海默病等都与海马体的功能损伤密切相关。本研究对海马体空间认知功能正常发育机制的揭示，为研究这些神经疾病的发病机制提供了新的思路。例如，通过对比正常发育过程中海马体的细胞活动模式与神经疾病患者海马体的异常变化，可以帮助科学家们更好地理解疾病是如何影响空间认知能力的，从而为开发针对这些疾病的早期诊断方法和治疗策略提供理论基础。人工智能与机器人技术：随着人工智能和机器人技术的不断发展，如何让机器具备更好的空间认知能力成为了一个热门研究方向。本研究对生物大脑空间认知机制的深入理解，可以为人工智能和机器人技术中的空间认知算法设计提供灵感。例如，借鉴海马体中位置细胞、网格细胞等的编码机制，开发出更加高效、智能的机器人导航和空间定位算法，使机器人能够更好地适应复杂多变的环境，提高其自主性和智能化水平。七、未来研究方向（一）深入探究细胞间相互作用机制

虽然本研究已经揭示了早期位置细胞和晚期位置细胞在空间认知功能发育过程中的一些特性和变化规律，但对于这些细胞之间以及它们与其他神经元之间具体的相互作用机制仍有待进一步深入探究。例如，在细胞集群同步性增加的过程中，究竟是哪些分子信号通路在起调节作用？早期位置细胞与晚期位置细胞之间是如何进行信息传递和协同工作的？通过运用先进的分子生物学技术和神经电生理技术，如光遗传学、膜片钳技术等，对这些问题进行深入研究，将有助于我们更加全面地理解海马体神经网络在空间认知过程中的工作原理。

（二）拓展研究对象与环境

本研究主要以幼年大鼠为研究对象，在特定的线性轨道和开放旷场环境下进行实验。未来的研究可以考虑拓展研究对象的范围，例如研究其他动物物种（如灵长类动物）在空间认知功能发育过程中的特点，以便更好地与人类的空间认知机制进行对比和关联。同时，还可以设置更加多样化的实验环境，如模拟自然生态环境、复杂迷宫环境等，以测试位置细胞在不同复杂程度和类型环境中的空间编码能力和适应性变化，从而更加全面地评估空间认知能力的发育机制。

（三）与其他脑区的关联研究

海马体虽然是空间认知的核心脑区，但它并不是孤立工作的，而是与大脑的其他脑区存在广泛的神经连接和信息交互。未来的研究可以将目光投向海马体与其他脑区（如前额叶皮层、顶叶皮层等）在空间认知功能发育过程中的关联研究。探究这些脑区之间的神经环路是如何协同工作的，以及在不同发育阶段它们对空间认知能力的贡献是如何变化的。通过这种多脑区的关联研究，可以构建更加完整的大脑空间认知网络模型，为深入理解空间认知的整体神经机制提供更全面的视角。

综上所述，南方科技大学与中国科学院深圳先进技术研究院合作团队的这项研究为我们打开了一扇深入了解空间认知能力发育机制的大门。通过对早期位置细胞和晚期位置细胞的研究，我们不仅对海马体空间认知功能的发育有了更清晰的认识，也为大脑空间认知 “先天 - 后天” 相互作用提供了关键证据。然而，这仅仅是探索空间认知奥秘征程中的一个重要节点，未来还有许多未知的领域等待我们去开拓，相信随着研究的不断深入，我们将逐步揭开人类空间认知的神秘面纱，为神经科学、医学、人工智能等多个领域带来更多的突破与创新。