頭部方向神經元如何紀錄位移和重新導航
目前對頭部方向迴路（Head direction system, HD）的研究中可知HD系統由環狀的ring attractor結構構成，環上神經元接受相對應方位的外界刺激並形成隨著刺激移動、旋轉的反應區域。但目前只得知產生反應的環上神經元會跟隨刺激移動，對於不同位移量、刺激時長或是進行重新導向時的神經反應及背後的機制還不甚明確。來自哈佛大學的團隊便針對實驗鼠的 anterodorsal thalamic nucleus (ADN) 腦區進行神經元反應的監測並觀察刺激的移動如何造成影響。
他們首先定義出了一群在 ADN 的 HD 神經，這群HD神經只會在特定的方位接收刺激時被激發（圖一）。接下來團隊設計了實驗去觀察旋轉的視覺刺激是如何對HD神經造成影響的，實驗中視覺刺激從0˚方位開始，並在之後停止刺激一陣後再給相差90˚的視覺刺激，直到轉回0˚方位為止。而觀察後發現HD神經確實會跟隨刺激的方位而移動（圖二）。
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| 圖一（原論文Fig 1g.）從ADN中發現的一群HD神經。每顆神經有自己偏好的激發方位(x軸, PFD: preferred firing direction)。 |
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| 圖二（原論文Fig 2a.）上半，實驗流程示意圖。下半，HD神經隨著實驗進程的反應變化。 |
在進行進一步的分析後，發現反應區域從前一個刺激移動到下一個刺激區域的速度和神經元的反應程度呈反比（圖三）。
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| 圖三（原論文 Fig 2i.）神經元反應區域移動速度（x軸）和相對無刺激時的基準值的反應程度（y軸）關係圖。 |
而實驗設計中缺乏視覺刺激的黑暗環節也讓團隊多了一個可探討的地方，關於空間記憶。當缺乏視覺刺激時，影響老鼠頭部轉向的將是針對進入黑暗前的那一段刺激的記憶，因此觀察黑暗中神經元的變化便可初步了解HD神經是否跟記憶這件事有關。在比較了不同方位的HD神經在黑暗中的反應後發現，HD神經並不會在進入黑暗後完全喪失反應，且反應程度隨方位角的不同而有所差異（圖四）。
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| 圖四（原論文 Fig 3d.） HD神經在進入黑暗後（紫線）和基準值的差異。 |
為了進一步測試HD神經的記憶相關能力，團隊將實驗中給予視覺刺激的時間從20分鐘縮短至20秒，並發現縮短時間後神經元的反應降回至基準值的速度較給予20分鐘刺激時快（圖五）。表示刺激的時長確實會影響到HD神經的記憶能力。
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| 圖五（原論文 Fig 4c.）比較長時間（20分鐘, 灰線）和短時間（20秒, 藍線）視覺刺激對HD神經元的影響。 |
整篇論文討論了ADN腦區中的HD神經元是如何對位移的視覺刺激進行反應，並分析位移量和神經激發程度的關聯和刺激時長如何去影響HD神經的記憶能力。使我們對HD神經的機制更加的瞭解。
撰稿者 張寧
資料來源
Ajabi, Z., Keinath, A.T., Wei, XX. et al. Population dynamics of head-direction neurons during drift and reorientation. Nature 615, 892–899 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05813-2
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