大腦中空間與時間的競合

奧秘的時空在愛因斯坦提出相對論後，才被了解到時間和空間並非相互獨立。而生物大腦中時空又是怎麼樣被感知編碼的呢？來自中國科學院的研究團隊發現海馬迴的時空細胞會根據不同情境而在空間和時間編碼上進行取捨。結果發表在Neuron。

在這個研究中，研究人員利用虛擬實境和跑步機等(圖一A)，讓老鼠在不同的場景中前進，搭配鈣離子影像觀察在海馬迴中的神經元的活性(圖一B)。首先他們發現到在海馬迴中分別有~40%的細胞是單純的位置細胞(place cells)(在虛擬實境中特定的位置每次任務都會有反應)、<5%是單純的時間細胞(time cells)(每次任務中的特定時間會有反應)、~40%是時空細胞(同時編碼時間和空間)(圖一C、D)。首先他們發現，在空間的編碼中，在每一個地方會有差不多數目的細胞進行編碼(圖一E)，而在時間編碼中，較多的細胞會喜好編碼任務的一開始時間(圖一E)。

圖一、老鼠海馬迴中的神經元分別編碼空間位置、時間、以及同時編碼時空。

接著研究人員利用兩個不同的虛擬實境場景，看這些細胞是怎麼編碼不同環境的。他們首先根據在場景B (world B)會有反應的位置細胞以距離原點遠近進行排序，由於空間是均勻的進行編碼，因此可看到一條筆直的斜線在圖二A左。有趣的是用同樣的排序方式去看在場景A (world A)，可發現在場景B中，編碼離起點較近的細胞，在場景A中，也會對離起點較近的位置有最高的反應(圖二A右)。在時間編碼上也有一樣的現象(圖二B)！那麼在不同場景，位置細胞和時間細胞有類似的編碼特性，那在同個場景，時間細胞和位置細胞有什麼關係呢？

圖二、時間細胞和空間細胞編碼的時空在不同的場景具相關性

為了瞭解時間和空間的編碼是否會交互影響，作者利用跑步機改變跑速，當固定跑步的時間，跑速愈快的時候可以跑的距離愈長，結果顯示本來編碼跑距中間的位置細胞，會變成編碼到比較後段的距離，因此產生了一個負向的偏移 (圖三A)。若是固定跑步的距離，那麼跑速愈快會讓跑的時間變短，因此可看到在編碼的時間上也會有負向的偏移 (圖三B)。

圖三、時間編碼和空間編碼會競爭而互相影響而有負向偏移

筆者認為本篇研究非常有趣，觀察到了生物在編碼時空時，時間和空間的關係彼此並非獨立而是會有交互作用，然而這樣的機制是如何達成，還需要更多的理論計算模型幫助理解，以及更進一步探討這樣機制會有什麼優劣。

撰稿者：強敬哲C.C. Charng

參考資料:

Chen, S., Cheng, N., Chen, X., & Wang, C. (2024). Integration and competition between space and time in the hippocampus. Neuron.

https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(24)00579-8