北京大学生命科学学院苗成林研究组揭示行为约束驱动内嗅皮层头向表征重构

内嗅皮层（MEC，medial entorhinal cortex）是哺乳动物构建认知地图的核心枢纽。其中，网格细胞（grid cells）提供了空间的几何度量，而头向细胞（head direction cells）则如同大脑中的“指南针”，表征动物当前的头朝向。传统的空间导航研究多聚焦于自由探索（free exploration）状态，但在现实交互中，动物往往面临各种行为约束（如人类乘车出行）。

2026年4月22日，北京大学生命科学学院、IDG麦戈文脑科学研究所、北大-清华生命科学联合中心、北京脑科学与类脑研究所苗成林研究员团队在 《自然-通讯》（Nature Communications）上发表了题为“Directional dynamics in the entorhinal cortex of male mice driven by behavioral constraints”的研究论文。该研究通过记录小鼠在自主驱动小车约束下的内嗅皮层大规模神经元活动，揭示了头向编码随行为约束发生重构的动态特性，提示了学习与自组织机制在特定内嗅皮层亚群中的互补作用，使动物能够根据行为约束的变化，在环境中适应性地表征自身方位。

为了探究行为约束如何影响空间表征，研究团队设计了一项实验：将小鼠头部固定在可自由移动的小车上，由小车带动小鼠在环境中被动移动。研究人员利用微型化双光子成像技术，实时记录了小鼠内嗅皮层在这一特殊交互模态下的神经活动。

图1. 小鼠内嗅皮层细胞成像与行为范式

研究发现，当小鼠由自由探索（free exploration）切换至被动移动（assisted movement）后，内嗅皮层的头向调制能力并没有因为行为受限而瓦解，反而呈现整体增强的趋势。单细胞水平的分析揭示了三种截然不同的响应模式：原本在主动运动中具有头向表征特性的细胞，在行为约束下表现为功能丧失（HD_F）或功能维持（HD_I）；而令人惊讶的是，部分在主动探索中本无头向表征的神经元（HD_A），在行为约束下“获得”了头向编码能力。这一现象表明，内嗅皮层的空间表征并非固化的神经标签，而是在行为约束下发生了功能重构。

图2. 小鼠内嗅皮层头向细胞在行为约束下重构

在缺乏主动运动指令的情况下，这种新型头向编码的信息来源是什么？实验证明，被动移动下的头向编码高度依赖于外部感官线索的丰度（如视觉和嗅觉参照物），而与小车的运动速度无关。进一步分析显示，这种表征的重构并非瞬时完成，而是一个依赖经验的动态学习过程。通过将被动移动阶段按时间顺序平均划分成五个阶段（blocks），研究发现在初次接受行为约束的小鼠（naïve）中，HD_A细胞的头向编码随着时间推移逐渐形成并趋于成熟，而这种学习现象在HD_I细胞中并不存在。这种新构建的“空间地图”一旦形成便具有较高的稳定性，可被系统长期保存，以便在后续类似的交互模态中被精准调用。

图3. 内嗅皮层被动移动条件下的头向编码通过学习形成

综上所述，该研究通过探究行为约束条件下动物内嗅皮层的头向表征，阐明头向编码并非固化在特定神经元上的静态属性，而是大脑根据环境与运动状态，通过学习与整合过程构建出来的一种能力。这种编码的灵活性展现了神经系统惊人的适应能力，为理解动物在各种复杂多变环境下导航的鲁棒性提供了全新的实验证据。

苗成林和阿根廷Leloir研究所Emilio Kropff研究员是这一研究成果的共同通讯作者。北京大学刘若瑾、郝珺为该研究的共同第一作者，实验室成员张翔、文诗丹、杨悠然、蔡海倩和高开对该论文作出重要贡献。本工作得到了中国科学技术部、临港实验室、启东产业创新基金、北京市杰出青年学者科学基金、中国政府外国专家项目以及阿根廷科学部的资助。北京大学国家蛋白质科学中心（北京）对本工作提供了帮助。