即使在黑暗中行走，人们往往也能在不依赖视觉线索的情况下判断自己所处的位置。这种能力源于一种被称为“路径整合（path integration）”的神经机制，即大脑通过持续整合自身的运动信息，对行走的距离和转向进行累积计算，从而实时更新空间位置。
美国马克斯·普朗克佛罗里达神经科学研究所（Max Planck Florida Institute for Neuroscience，MPFI）的研究人员近日在《Nature Communications》发表研究，系统揭示了大脑在缺乏外界参照物时，如何在神经层面编码行进距离和时间。这一发现不仅加深了对空间导航和记忆形成机制的理解，也为阿尔茨海默病早期症状的研究提供了重要线索。
在无视觉线索条件下进行导航
在该研究中，研究团队训练小鼠在一个灰色、无明显视觉地标的虚拟现实环境中奔跑固定距离，以获得奖励。在这一环境中，小鼠无法依赖视觉、嗅觉或其他环境线索，只能通过感知自身的运动状态来判断行进距离。
在小鼠完成任务的过程中，研究人员记录了神经元之间传递信息时产生的微弱电信号，从而监测了数千个神经元的活动模式。研究重点聚焦于海马体（hippocampus），这一脑区在空间导航和情景记忆中发挥关键作用。
研究团队随后结合计算建模方法，对这些神经活动信号进行分析，以揭示大脑执行路径整合时所遵循的计算规则。
去除感官干扰后，海马神经元呈现新模式
论文通讯作者、MPFI研究组负责人王颖雪（Yingxue Wang）指出，海马体中存在一类经典的“位置细胞（place cells）”，它们在动物位于特定空间位置时被激活。但在自然环境中，丰富的感官刺激使得难以区分这些神经元究竟是在响应外界线索，还是在反映动物自身的位置。
“在这项研究中，我们尽可能去除了感官线索，以模拟在黑暗中移动的情境。”王颖雪表示，“在这种高度简化的条件下，我们发现，只有少量海马神经元在特定位置或特定时间点被激活。”
这一结果促使研究人员进一步探究：其余大多数神经元是否通过整合运动距离和持续时间，参与了路径整合过程。
两类相反的神经活动构成距离编码机制
研究发现，在缺乏地标的导航过程中，大多数海马神经元表现出两种彼此相反但高度有序的活动模式。
其中一类神经元在小鼠开始移动时活动迅速增强，仿佛标记了“距离计数”的起点，随后其活动强度随着行进距离的增加而逐渐下降，并在到达目标距离时降至低水平。不同神经元的下降速度各不相同，对应着不同的距离尺度。
另一类神经元则呈现相反的变化趋势：在运动开始时活动水平下降，随后随着行进距离的增加而逐步上升。
研究人员指出，这两类神经元共同构成了一种用于路径整合的神经编码方式，包含两个阶段：第一阶段是运动起始时神经活动的快速变化，用于标记行进的开始；第二阶段是神经活动的渐进性变化，用于持续“计数”已经行进的距离或时间。通过不同“ramping speed（爬坡速度）”的神经元组合，大脑可以同时表示短距离和长距离。
论文第一作者Raphael Heldman表示，这是首次发现海马体在编码距离时，采用了不同于传统位置编码（place-based coding）的神经机制。
“我们的研究表明，大脑通过具有爬坡式活动模式（ramping activity patterns）的神经元来编码完成任务所需的距离或时间，”Heldman说，“这扩展了我们对海马体功能的理解，说明它不仅依赖位置编码，还会采用多种策略来表征时间和距离。”
神经活动被干扰后，导航能力显著下降
为验证这些神经活动模式在行为中的功能意义，研究人员进一步对相关神经回路进行了干预。当这些特定活动模式被破坏后，小鼠在任务中的表现明显下降，常常在错误的位置寻找奖励，表明路径整合能力受到损害。
对阿尔茨海默病研究的启示
王颖雪指出，理解大脑如何编码时间和距离，对于研究阿尔茨海默病具有重要意义。路径整合能力的下降，往往是该疾病最早出现的功能障碍之一。
“患者在疾病早期常报告在熟悉环境中出现空间定向障碍，或者无法回忆自己是如何到达某个地点的。”她表示。
目前，研究团队正进一步探索这些神经活动模式在大脑中是如何产生和调控的，希望由此揭示瞬时经历如何被整合为长期记忆，以及这一过程在阿尔茨海默病早期阶段可能如何被破坏。
参考文献：Time or distance encoding by hippocampal neurons via heterogeneous ramping rates, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-67038-3
编辑：周敏
排版：李丽
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