为什么大鼠的位置细胞被称为位置细胞？

J. O'Keefe和J. Dostrovsky于1971年首次在脑内，具体地说是在海马，发现了位置细胞。位置细胞是位于内侧颞叶的海马CA3区和CA1区锥体神经元的一种类型。当动物进入环境中某一特定部位时，位置细胞活动起来，这个部位被称为位置野（place field）（图13-9）。在典型的实验室小环境里，某一位置细胞会有一个或少数几个位置野，但在广阔的环境下可以有多一些的位置野。位置野的型式没有明显的地形特点。与其他脑区如视觉皮层不同，相邻近的位置细胞似乎可以有不邻近的位置野。典型的情况是，在不同的环境中，大约有半数位置细胞仍然有位置野，但这些野是在新位置，与老位置不相关。自从O'Keefe和Dostrovsky 1971年首次发现海马存在位置细胞以来，5年后他们又用大鼠进行了研究。实验演示，当大鼠处在环境中某一位置时，位置细胞会放电。这是第一个指示，位置细胞关联到空间朝向。他们也发现，依赖于大鼠走向哪里，不同海马区的位置细胞放电，全部放电网络组成了老鼠的环境。环境改变时，同一位置细胞会放电，但是不同放电野的相互关系和动力学会变化。因此，位置细胞被看成为：它指示人和动物如何在环境中走动，以及在环境中处于什么位置。位置细胞一般通过记录动作电位而被发现。当人或动物行走在大的环境中以及到达一特定位置的时候，位置细胞的放电频率有相当程度的增加。可见，这是外部世界在脑内（海马）的空间图像问题，位置野群体就这样指定了环境。脑电θ、γ振荡与海马位置细胞见7.7.6。

图13-9　位置细胞放电图（彩图见图版此处）

大鼠海马CA1区8个位置细胞空间放电型式的记录。大鼠在这个图形的管腔里面来回跑动，在每一端停下来吃少量食品。这个图片上面的点表示，老鼠在这个点的时候，这个细胞就放电；点的颜色表明哪个神经元放电了，在什么位置。（图引自维基百科）

位置细胞被认为是特定空间位置认知的代表，这个空间被称为认知地图（cognitive map）。位置细胞与其他海马神经元及其他脑区神经元一起工作，实施这一类型的空间加工活动，但有关它们在海马里面实现活动的方式如何，仍在研究之中。

大鼠的研究显示，当大鼠进入一个新开放环境时，位置细胞倾向于快速放电，然而在放电的位置野以外，位置细胞倾向于相对不活动。总起来看，位置细胞可被看成一个“认知地图”，在这个图里面，它们是有局限的，被称为位置野的放电型式。位置细胞的放电型式经常由外界感觉信息及局部环境所决定。已经证实，位置细胞有突然改变其放电型式的能力，从一种型式到另一种，此现象被称为“重新作图”，虽然位置细胞会随外部环境而改变，但通过吸引子动力学（attractor dynamics），它可以维持稳定，“从而保证此系统可以抗拒感觉输入的小的变化，集体地而且连贯性地对大的变化仍然保持反应”。

虽然位置细胞属于非感觉皮层系统的一部分，但它们的放电行为强有力地与感觉输入相关联。当动物位于环境中“位置野”的时候，位置细胞放电。这些神经回路可能对记忆有重要含义，因为它提供记忆的空间背景和过往的经验。如同脑其他部分一样，位置细胞回路是动态的。它们经常在调整，在重新作图，以求适合于当前位置及脑的经验。在创造视觉空间代表的过程中，位置细胞并非单独起作用，它们是复杂回路的一部分，告诉位置的觉察（awareness）及位置的记忆。

虽然海马在学习记忆中起作用，但海马里面存在着位置细胞，这表明海马在空间适应及觉察中的作用。处于开阔环境的大鼠，有记录得到的放电型式增加；当海马损伤累及其中所含位置细胞时，有记录得到的空间学习与觉察受损。用大鼠所进行的研究显示，位置细胞对空间环境很敏感。例如，O'Keefe和L. Nadel发现，当老鼠快速跑过以前的位置时，如果在环境中增加一件新的物品，或者环境中通常有的那个物品不存在，则位置细胞的放电会更快一些。

O'Keefe演示的位置细胞提供了最初的证据，说明有了环境的神经代表，动物就可以不慌不忙地在世界上活动。认知地图这个概念，最早是伟大的认知心理学家E. C. Tolman已经预期的。他提出，脑的某些部位一定有环境的代表。一般认知地图的组构不是定位的，或以自我为中心的，如同触觉或视觉在大脑皮层上的图像那样。相反，位置细胞的图像是非自我中心的（或以地球为中心的），相对于外在世界的某一点，它是固定的［8］。

位置细胞功能的基础是什么？对于位置细胞功能的基础，对于它是基于环境当中的标志物，还是基于环境中的边界，抑或两者的相互作用，是有争论的。海马锥体细胞（多数为大鼠的）是否既传送非空间信息也传送空间信息，有过许多研究。按照认知地图理论，大鼠海马的基本作用是通过位置细胞存储空间信息。不过也有研究认为，海马也存储其他的非空间的信息；而对有关资料的另外的解释则认为，过早地支持有海马的非空间功能存在，是不合适的。

在开阔环境当中记录特定海马细胞放电野的时候，放电野被证明是类似的，即使老鼠的行动完全按不同的方向。所以，位置细胞显示一种总的方向性。然而，如果在前面所讲过的环境中加上一些限制，则放电野被证明是有方向性的：放电是在一个方向，而不能在另一个方向。

当老鼠在圆臂辐射迷宫中时，同样的方向性也存在。辐射迷宫包含中央的圆圈，有几个手臂样的辐射状突出部分，这些部分有的是有食物的，有的则没有食物。有些人考虑，位置细胞放电的有或无，是臂作为目的朝向功能的一个函数。

然而，如果动物从迷宫的一个臂移动到另一个臂，而这两个臂都含有食物，则此时位置细胞仅仅对某一个方向放电，表明你不能够把放电单纯地归之于目的的接近，必须加上方向的成分，例如朝北而不是朝南。

环境中的视觉暗示（cue）、线条的可见性，例如墙和台阶的接触处、墙的高度或墙的宽度，这些供大鼠来觉察、辨别距离及位置。老鼠把这种外部信息内部化（internalize），记下其周围的环境。

要是没有这种视觉暗示，则老鼠自己走过去跟墙碰撞，记住墙的位置。碰撞以后动物的位置细胞放电频率就提供了信息，基于其行走的方向及运动速度。在这种情况下，位置细胞的放电是由于运动的输入。

从单纯的位置相关看，位置细胞有简单位置细胞和复杂位置细胞之分。简单位置细胞完全是位置相关的；而当老鼠遇到特定物体或特定经验时，复杂位置细胞就增加其放电。另一种细胞被称为错位（misplace）细胞：当老鼠在某一特定位置的期望没有达到，或当在路途上遇到新的情况时，这些细胞就放电。

那种似乎唯一地基于非空间记忆的位置细胞，看来有空间成分。企图去掉海马非空间记忆缺损的许多损伤实验是不成功的。在某些情况下，损伤能够成功地去掉非空间记忆的缺损，然而海马以外的其他脑结构也受到损伤。因此，大鼠的非空间记忆缺损可能与位置细胞并不相关。这样，基于我们迄今所知道的各种研究资料，认知地图理论受到最多支持，而非空间理论不能够把空间成分考虑在内。

位置细胞在被称为位置野的一个特定空间区域放电。位置野大约类似于感觉神经元的感受野，这是因为放电区对应于环境中感觉信息的区域。实验显示，当老鼠沿着一条线性的道路前进的时候，位置野被看成为非自我中心的，表明它们所界定的是根据外部环境而不是躯体。由于朝向环境而不是朝向个体，因此位置野可以作为一个对环境的神经作图而有效地运作。

1．与感觉输入的关系

起初认为位置细胞的放电直接与简单感觉输入有关，但是最近的研究提示，事情并非如此。位置野通常不受大量感觉输入变化的影响，但是它对精细的环境变化敏感，例如颜色的变化或者物体形状的变化。这提示，位置细胞对复杂刺激起反应而不是对简单、个别感觉的暗示起反应。按照一个被称为“功能分化”的模型，认为感觉信息在真正到达海马之前，在海马上游的不同皮层结构上被加工。因此，位置细胞所接受的信息是由不同的刺激来源编辑聚集而成的。

位置细胞所接受的感觉信息可以分为长度的、与环境情景有关的。长度信息对应于位置细胞应该在何处放电，而情景输入对应于位置细胞是否应该在某一环境中放电。长度的感觉信息是任何一种形式的空间输入，可能表明两个点之间的距离。例如，一个环境的边缘可以传送总位置野大小的信号或者两点间距离的信号。长度信号可以是直线的，也可能是方向性的。方向性输入所提供的信息是关于位置野的朝向，而线性输入基本上形成代表性网格。情景性暗示允许建立一种位置野，使之适合于环境的小量变化，例如改变物体颜色或形状。长度和情景输入在到达海马位置细胞之前，在内嗅皮层上得到加工。视觉空间输入和嗅觉输入是感觉输入的两个例子，它们可以被位置细胞所利用。这两种感觉暗示既可以包括长度性的、也可以包括情景性的信息。

2．与视觉空间暗示（visuospatial cue）的关系

空间暗示，如几何边界或朝向的标志物，是长度输入的重要例子。位置细胞主要依赖于远的暗示，而不是环境中直接靠近的暗示。运动也可以是一个重要的空间暗示。位置细胞整合新运动信息的能力被称为路径整合，这对运动中保持路径定位是重要的。路径整合主要由网格细胞帮助和指导。网格细胞是内嗅皮层的一种神经元，它转递信息到海马位置细胞。网格细胞建立位置的网格代表，所以运动时位置细胞可以根据它的新位置进行放电，而其朝向则根据外环境的参考性网格。视觉输入也提供重要的情景信息。特定物体颜色的变化可以影响在特定环境中的位置野是否放电。这样看来，视觉空间感觉信息对于位置野的形成和回忆是关键性的。

3．与嗅觉暗示的关系

虽然位置细胞主要依赖于视觉空间输入，但某些研究提示，在产生及回顾位置野的时候，嗅觉输入也起一定的作用。较少知道的是关于位置细胞和非视觉感觉暗示之间的相互作用，但初步研究显示，非视觉感觉输入在位置野的形成中可能起辅助性作用。有研究发现，嗅觉信息可以用来弥补视觉信息的缺失。在研究中，暴露于没有光也没有嗅觉信号的环境中的对象，其位置细胞是不稳定的；位置野的位置会突然转移，某些组成性的位置细胞会停止放电。然而，如果把这种对象的位置细胞放到黑暗但带有嗅觉信号的环境里，它仍能维持稳定放电，虽然这里没有视觉暗示。另有研究考察了海马怎么利用嗅觉信号来创造和回忆位置野。与前面作者的实验类似，这个研究把对象暴露于一个环境下，用一系列嗅觉信息，但是没有视觉和听觉信息。结果，位置野维持稳定，甚至可以适应于嗅觉信号型式的旋转。此外，当随机地去除嗅觉以后，位置野将完全重新作图。这提示，位置细胞不仅能运用嗅觉信息来产生位置野，也能在运动过程中运用嗅觉信息来朝向位置野。

4．与海马记忆的关系

海马在偶发性记忆中起重要作用。偶发性记忆的一个重要方面是其空间相关，即事情是在哪个空间发生的。海马位置细胞能够展示稳定的放电形式，即使已经从位置中去掉了暗示。此外，当暴露于先前位置的信号或信号的一部分时，特定位置野会开始放电。这提示，位置细胞提供了空间相关记忆，通过回忆环境的神经代表，而记忆是曾经在该环境下发生的。换句话说，通过分化情景的相关，位置细胞先准备好记忆；通过建立空间相关，位置细胞可以用来完成记忆型式。此外，位置细胞可以维持位置的空间代表，而同时回忆另一位置的神经图像，这样可以有效地区分当前经验与过去记忆。因此，位置细胞被认为演示了两个特征：一个是型式完成（pattern completion），另一个是型式区分（pattern separation）。

5．型式完成还是型式区分

型式完成是一种从部分或改变的感觉暗示中回忆完整记忆的能力。位置细胞能够维持稳定放电，即使某一部位的重要信息已经被去掉。这提示，它们能够仅从原来型式中的部分输入来回顾某一个型式。此外，型式完成可以是对称的。这意思是，一个完整的记忆可以从它的任何部分中被提取。例如，在一个物体位置相关的记忆中，空间情景可以被用来回忆物体，物体可以被用来回忆空间情景。

型式区分是指能够从其他存储记忆中分化记忆的能力。型式区分开始在齿状回发生，齿状回是海马的一部分，它参与记忆的形成和回放。齿状回颗粒细胞应用竞争性学习方法加工感觉信息，而且传送初步代表以形成位置野。位置野是非常特异的，因为它们能够重新作图，而且能根据稍稍有区别的感觉信号的变化，调节其放电频率。这种特异性对于型式区分是关键性的，因为它把一个记忆与另一个记忆区分开来。

6．重新激活、重演和预演

位置细胞经常在位置野之外展示重新激活（reactivation）。这种过程的时程比真正经验的时程要快，其发生往往与原来的经历依照同样次序；或者按相反方向，但很少见。所谓重演（replay）被认为在记忆回放以及记忆巩固中有功能作用。它也可能发生在真正的经历发生之前，并显示同样的活动程序。这个现象称为预演（preplay），它可能在预测和学习中起作用。