為了在一個環境中成功導航，你需要不斷追蹤你的頭部的速度和方向，即使是在黑暗中。倫敦大學學院（UCL）的Sainsbury Wellcome中心的研究人員發現，在小鼠中，大腦中一個被稱為壓后皮質的區域中的單個細胞和細胞網絡是如何編碼這種角度的頭部運動的，以便在白天和夜間都能進行導航。
“當你坐在一輛行駛的火車上時，世界以車廂運動的速度經過你的窗口，但外部世界的物體也在相對於彼此運動着。我們實驗室的主要目標之一是了解大腦如何利用外部和內部信息來區分以分配為中心和以自我為中心的運動。這篇論文是幫助我們了解單個細胞是否真的能夠獲得自我運動，以及在可用的情況下，由此產生的外部視覺運動信號的第一步，”Sainsbury Wellcome中心的副主任和論文的通訊作者Troy Margrie說。
在周二發表在《神經元》上的這項研究中，該中心的研究人員發現，壓后皮質使用前庭信號來編碼頭部的速度和方向。然而，當燈光亮起時，頭部運動的編碼明顯更準確。
“當燈光亮起時，視覺地標可以更好地估計你自己的速度（你的頭正在移動的速度）。如果你不能非常可靠地編碼你的頭部轉動速度，那麼你很快就會失去方向感。這可能解釋了為什麼，特別是在新的環境中，一旦燈光熄滅，我們的導航能力會變得更差，”Troy Margrie說。
為了了解大腦是如何在有和沒有視覺線索的情況下實現導航的，研究人員在動物自由地在一個大舞台上漫遊時，記錄了來自壓后皮質各層的神經元。這使神經科學家們能夠確定大腦中被稱為“angular head velocity ”(AHV) 細胞的神經元，這些細胞追蹤頭部的速度和方向。
Margrie Lab實驗室的高級研究員、該論文的主要作者Sepiedeh Keshavarzi隨後也在頭部固定的條件下從這些相同的AHV神經元中進行了記錄，以允許去除特定的感覺/運動信息。通過比較在黑暗中和有視覺線索的情況下非常精確的頭部旋轉角度，以及自由移動條件下的結果，Sepiedeh能夠確定，雖然單獨的前庭輸入可以產生頭部角速度信號，但當有視覺信息時，它們對頭部運動速度的敏感性會大大改善。
“雖然已經知道后枕部皮層參與了空間方向的編碼和自我運動引導的導航，但這項研究使我們能夠在網絡和細胞水平上考察整合。我們表明，一個細胞可以看到兩種信號：前庭和視覺。同樣至關重要的是開發了一項行為任務，使我們能夠確定，當有視覺線索出現時，小鼠會提高對自己頭部角速度的估計。”Troy Margrie評論說：“當有視覺線索時，頭部運動的編碼和小鼠對其運動速度的估計都有明顯的改善，這一點非常令人信服。”
研究人員計劃下一步探索將前庭和視覺信息帶到壓后皮質的途徑，以及這些信號可能被“轉發”到哪裡。研究人員現在知道，例如，有一個與初級視覺皮層的強大反饋迴路，它也接收與跑步速度有關的運動信號。未來旨在隔離和操縱特定類型的神經活動的實驗將告訴研究人員，大腦皮層是如何將自我運動產生的信號與分配中心的信號區分開來的，這一過程對於我們如何在複雜的視覺世界中導航至關重要。