發(fā)布時(shí)間：2025-09-16
2025年9月15日，《Nature Reviews Neuroscience》期刊在線發(fā)表了題為《自身運(yùn)動(dòng)的多感覺(jué)編碼及其對(duì)空間導(dǎo)航的貢獻(xiàn)》的綜述論文，該工作由中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所），腦認(rèn)知與類腦智能全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室顧勇研究組和毛盾研究組聯(lián)合完成。在該論文中，系統(tǒng)總結(jié)并探討了生物個(gè)體在環(huán)境中移動(dòng)時(shí)，多種感官系統(tǒng)協(xié)同激活，進(jìn)而在大腦中產(chǎn)生與自身運(yùn)動(dòng)相關(guān)的神經(jīng)信號(hào)。這些信號(hào)在時(shí)空維度上被整合并進(jìn)行路徑計(jì)算，從而使個(gè)體在缺乏外部線索的環(huán)境中也能成功完成空間導(dǎo)航任務(wù)。當(dāng)自身運(yùn)動(dòng)信息與外部環(huán)境信息整合時(shí)，還可進(jìn)一步幫助個(gè)體理解周圍環(huán)境、構(gòu)建空間認(rèn)知地圖，并支持靈活的導(dǎo)航行為。
自身運(yùn)動(dòng)是地球上動(dòng)物與環(huán)境發(fā)生交互，實(shí)現(xiàn)趨利避害的基本行為模式。為了實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程，大腦需要整合多種信號(hào)，包括運(yùn)動(dòng)指令、前庭輸入、光流以及本體感覺(jué)反饋等，來(lái)精準(zhǔn)感知自身運(yùn)動(dòng)的方向與行進(jìn)速度（圖一）。這些基于較短時(shí)程的自身運(yùn)動(dòng)信號(hào)通過(guò)持續(xù)的時(shí)間整合與漸進(jìn)的空間變換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)程的路徑積分（path integration）和導(dǎo)航功能。近期在動(dòng)物模型上開(kāi)展的神經(jīng)生理學(xué)研究工作揭示了跨模態(tài)整合在此過(guò)程中的多個(gè)關(guān)鍵作用，包括：前庭-視覺(jué)信號(hào)融合以提升自身運(yùn)動(dòng)感知；運(yùn)動(dòng)指令相關(guān)的預(yù)測(cè)編碼信號(hào)整合以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)；地標(biāo)信號(hào)整合以緩解累積誤差并促進(jìn)認(rèn)知地圖構(gòu)建；本體感覺(jué)信號(hào)的整合以實(shí)現(xiàn)自我中心到世界中心空間坐標(biāo)系的漸進(jìn)轉(zhuǎn)換。因此，多感覺(jué)編碼在導(dǎo)航行為中對(duì)自身運(yùn)動(dòng)感知與自身定位發(fā)揮著重要作用。
圖一：自身運(yùn)動(dòng)感知涉及到主動(dòng)運(yùn)動(dòng)指令預(yù)測(cè)和多感官系統(tǒng)反饋，可以用內(nèi)部模型（internal model）來(lái)描述（左圖）；即時(shí)的自身運(yùn)動(dòng)信號(hào)可以通過(guò)時(shí)間上的整合進(jìn)行路徑計(jì)算（path computation），從而允許在缺乏外界路標(biāo)的場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)向量導(dǎo)航（vector navigation，右圖）。
論文具體分為兩部分：
在第一部分中，論文主要總結(jié)了自身運(yùn)動(dòng)的多感覺(jué)神經(jīng)編碼機(jī)制，具體分為兩個(gè)章節(jié)闡述：（1）自身運(yùn)動(dòng)激活內(nèi)耳的前庭感官，和產(chǎn)生視網(wǎng)膜上的外界世界位移，這些慣性和視覺(jué)運(yùn)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)層級(jí)傳遞后抵達(dá)大腦新皮層，呈現(xiàn)出廣泛分布的特點(diǎn)：在靈長(zhǎng)類動(dòng)物中，多個(gè)腦區(qū)包括頂葉、顳葉、額葉皮層的單神經(jīng)元中均出現(xiàn)兩種自身運(yùn)動(dòng)信號(hào)的表征和匯聚（圖二）。然而，與行為學(xué)相比，這些信號(hào)在單個(gè)神經(jīng)元層面上的時(shí)空一致性展現(xiàn)出相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性，既有一致的時(shí)空調(diào)諧，可以解釋行為學(xué)上普遍觀察到的貝葉斯多感覺(jué)信息最優(yōu)整合現(xiàn)象，但也有不一致或沖突的調(diào)諧，其功能尚未確定；（2）多感覺(jué)自身運(yùn)動(dòng)信號(hào)與主動(dòng)運(yùn)動(dòng)指令的預(yù)測(cè)信號(hào)整合，以實(shí)現(xiàn)自身在環(huán)境中狀態(tài)更新的最優(yōu)化估計(jì)，其過(guò)程可由基于貝葉斯理論框架的卡爾曼動(dòng)態(tài)濾波模型來(lái)描述。該模型同時(shí)可以很好地解釋在環(huán)境中，因主動(dòng)運(yùn)動(dòng)和非預(yù)期的被動(dòng)運(yùn)動(dòng)（如外界干擾）下的最終自身運(yùn)動(dòng)估計(jì)，其在大腦中的神經(jīng)表征目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些證據(jù)。
圖二：內(nèi)耳前庭和視覺(jué)光流自身運(yùn)動(dòng)信息（左圖）在靈長(zhǎng)類大腦新皮層多腦區(qū)匯聚（右上圖），并投射到海馬-內(nèi)嗅皮層的導(dǎo)航系統(tǒng)（右下圖）。
在第二部分中，論文主要總結(jié)了瞬時(shí)的自身運(yùn)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)間上的整合實(shí)現(xiàn)路徑計(jì)算，以及空間上的層級(jí)漸進(jìn)實(shí)現(xiàn)參照系變換，具體分為三個(gè)章節(jié)闡述：（1）前庭和光流旋轉(zhuǎn)信號(hào)通過(guò)環(huán)狀吸引子網(wǎng)絡(luò)的循環(huán)神經(jīng)聯(lián)結(jié)機(jī)制表征和更新空間中的頭朝向（例如東南西北等方向），其神經(jīng)編碼已經(jīng)在多個(gè)腦區(qū)中發(fā)現(xiàn)，并且通過(guò)水平和豎直半規(guī)管前庭信號(hào)的組合，可以表征動(dòng)物在三維空間中的頭朝向信息；（2）大腦新皮層如頂葉中存在眾多編碼前庭和光流運(yùn)動(dòng)速度的神經(jīng)元，它們和內(nèi)嗅皮層中的速度細(xì)胞可能對(duì)路徑整合與網(wǎng)格編碼至關(guān)重要，并可能構(gòu)成一條專門用于路徑整合的神經(jīng)環(huán)路，同時(shí)通過(guò)與外部地標(biāo)線索整合實(shí)現(xiàn)誤差校正；（3）自身運(yùn)動(dòng)信號(hào)與外界地標(biāo)信號(hào)的整合促進(jìn)了以世界為中心的認(rèn)知地圖形成，這一過(guò)程涉及連續(xù)的空間參考系轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換可能通過(guò)頂葉?后扣帶回和壓后皮層?海馬和內(nèi)嗅皮層這條通路介導(dǎo)，以增益場(chǎng)調(diào)制的計(jì)算機(jī)制實(shí)現(xiàn)?。這種參考系轉(zhuǎn)換在自然導(dǎo)航過(guò)程中具有雙向性：通過(guò)反饋投射，世界中心坐標(biāo)系也可以反向轉(zhuǎn)換成自我中心坐標(biāo)系，從而支持導(dǎo)航行為規(guī)劃、自身運(yùn)動(dòng)感知校準(zhǔn)以及視覺(jué)空間經(jīng)歷的重現(xiàn)?。
總之，論文指出自身運(yùn)動(dòng)是生物大腦中一個(gè)典型的感知─運(yùn)動(dòng)智能閉環(huán)系統(tǒng)，與環(huán)境發(fā)生緊密互動(dòng)，以達(dá)到趨利避害，導(dǎo)向目標(biāo)的目的。論文也同時(shí)指出了目前領(lǐng)域中存在的問(wèn)題和未來(lái)待解決的方向，包括：不同時(shí)間動(dòng)力學(xué)編碼特征的細(xì)胞種類是否執(zhí)行不同的功能；不同空間調(diào)諧的前庭-視覺(jué)細(xì)胞的可能參與的功能假說(shuō)；神經(jīng)編碼信息的解碼機(jī)制及其對(duì)認(rèn)知功能的因果關(guān)系；不同物種如靈長(zhǎng)類和嚙齒類動(dòng)物由于生態(tài)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)方法的差異，亟需先進(jìn)技術(shù)的突破和應(yīng)用等。
該論文相關(guān)的研究工作受到國(guó)家科技創(chuàng)新2030重大專項(xiàng)-“認(rèn)知地圖的神經(jīng)機(jī)制”項(xiàng)目的資助。
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