大脑内置的"距离尺"
在黑暗中穿越陌生房间时，人类往往需要摸索才能感知周围空间。但对许多动物来说，感知空间要自然得多。以小鼠为例，它们只需用胡须轻触墙壁和障碍物，便能在黑暗中高效导航。
麻省理工学院脑与认知科学教授、麦戈文脑研究所研究员王帆发现了小鼠脑干神经元如何利用触觉胡须的信号，来估算物体与面部之间的距离。该团队的研究成果于6月25日发表在《神经元》期刊上，揭示了大脑用于表征身体周围空间的关键神经回路。
绘制空间地图
研究团队发现的神经回路，是大脑构建自我中心空间地图系统的一部分——即理解物体相对于自身身体位置的能力。神经科学家已知大脑会调用专门的回路来实现这种空间理解，这与依赖外部地标进行空间定位的系统有所不同。
研究中，王帆团队重点探究大脑如何绘制最靠近身体的空间，即"近身空间"。这是我们活动的空间，理解物体与身体的相对位置对于伸手、迈步、规避危险以及与环境有效互动至关重要。
王帆表示，小鼠是研究大脑如何感知近身空间内物体距离的理想模型，因为啮齿动物的胡须天然就像一套内置的测量工具。这些长短不一的胡须在动物探索环境时来回扫动，弯曲和振动产生的机械感觉由胡须根部的感觉神经元传递至大脑。当胡须在靠近面部处弯曲时，神经元的放电频率高于胡须尖端接触时的频率，从而传递触碰位置的远近信息。
王帆团队希望了解大脑是否能利用这些信号，构建出比"近"或"远"更精确的内部距离表征。为此，研究生肖文熙和研究科学家凯尔·塞弗森监测了脑干中一个小型感觉处理区域的神经活动——这是胡须触觉信号抵达大脑的第一站。他们观察了小鼠在跑步机上行走、胡须以不同距离扫过侧壁时该区域的神经反应。
该区域的许多神经元对墙壁引发的胡须弯曲有所响应。部分神经元的行为与其接收信号的感觉神经元相似，在墙壁距面部越近时放电越频繁，构成基于近远程度的距离编码。但另一些细胞则对特定距离敏感，仅在胡须接触的墙壁处于某一特定范围内时才会放电。
胡须即尺
部分神经元在墙壁距面部约23毫米处（接近最长胡须的尖端）时活动最强，另一些则在中间距离时响应最明显。"每个神经元代表一个特定距离，它们共同覆盖最长胡须所能触及的全部范围，就像尺子上的刻度一样，"王帆解释道，"我们称之为地图编码。"
团队还想弄清大脑如何将来自不同胡须的近远信号转化为精确的物体距离地图编码。"不能只听单根胡须神经元的信号，因为短胡须尖端的接触位置，可能与长胡须的中段位置相同。大脑需要一套回路来构建统一的距离地图，"王帆说。
通过计算建模以及对特定神经信号传导方式的干预实验，王帆团队揭示了大脑如何通过比较不同感觉神经元的输入来计算距离。研究结果表明，构成地图编码的每个脑干神经元，既接收来自近远敏感胡须神经元的直接兴奋性输入，也接收由近远依赖性胡须触觉信号驱动的抑制性输入。
"本质上，抑制性通路让脑干能够通过相减来比较两个输入，"王帆解释道，"如果一个输入表示'这是实际距离'，另一个表示'这是我估计的距离'，两者相减便得到一个中间值。我们认为这是一种将触觉输入转化为离散距离表征的简洁而优雅的方式。"
王帆指出，尽管身体中心空间表征十分重要，但迄今为止神经科学界对此关注甚少——相比之下，人们对依赖地标进行空间定位（即异我中心地图）的研究要深入得多。她期待进一步探究团队发现的自我中心地图编码如何与其他脑系统整合，以指导运动、社交互动及其他行为，并希望这一发现能推动其他研究团队的深入探索。
本研究由美国国立卫生研究院资助。
Q&A
Q1：小鼠胡须是如何帮助大脑感知距离的？
A：小鼠胡须长短不一，探索环境时会来回扫动。胡须弯曲时产生的机械感觉由根部感觉神经元传递至大脑，胡须在靠近面部处弯曲时神经元放电更频繁，从而传递距离远近的信息。脑干中的神经元进一步将这些信号转化为精确的距离表征，覆盖最长胡须所能触及的全部范围。
Q2：大脑是如何把不同胡须的触觉信号整合成统一距离地图的？
A：大脑通过比较不同感觉神经元的输入来计算距离。脑干中构成地图编码的神经元同时接收兴奋性和抑制性两种输入，通过"相减"机制对比实际距离与估计距离，从而得出精确的离散距离值，构建出统一的近身空间距离地图。
Q3：这项关于小鼠胡须距离感知的研究有什么意义？
A：这项研究揭示了大脑构建自我中心空间地图的关键神经回路，填补了神经科学领域长期忽视的空白。相关发现有助于理解大脑如何指导运动、社交互动等行为，也为未来探索身体中心空间表征与其他脑系统的整合提供了重要基础。
