內嗅皮層（MEC，medial entorhinal cortex）是哺乳動物構建認知地圖的核心樞紐。其中，網格細胞（grid cells）提供了空間的幾何度量，而頭向細胞（head direction cells）則如同大腦中的“指南針"，表征動物當前的頭朝向。傳統的空間導航研究多聚焦于自由探索（free exploration）狀態，但在現實交互中，動物往往面臨各種行為約束（如人類乘車出行）。

2026年4月22日，北京大學生命科學學院、IDG麥戈文腦科學研究所、北大-清華生命科學聯合中心苗成林課題組在《Nature Communications》上發表了題為“Directional dynamics in the entorhinal cortex of male mice driven by behavioral constraints"的研究論文。該研究通過記錄小鼠在自主驅動小車約束下的內嗅皮層大規模神經元活動，揭示了頭向編碼隨行為約束發生重構的動態特性，提示了學習與自組織機制在特定內嗅皮層亞群中的互補作用，使動物能夠根據行為約束的變化，在環境中適應性地表征自身方位。

文章上線截圖

為了探究行為約束如何影響空間表征，研究團隊設計了一項實驗：將小鼠頭部固定在可自由移動的小車上，由小車帶動小鼠在環境中被動移動。研究人員采用了超維景生物的微型化雙光子成像技術，實時記錄了小鼠內嗅皮層在這一特殊交互模態下的神經活動。

圖1. 小鼠內嗅皮層細胞成像與行為范式

研究發現，當小鼠由自由探索（free exploration）切換至被動移動（assisted movement）后，內嗅皮層的頭向調制能力并沒有因為行為受限而瓦解，反而呈現整體增強的趨勢。單細胞水平的分析揭示了三種截然不同的響應模式：原本在主動運動中具有頭向表征特性的細胞，在行為約束下表現為功能喪失（HDF）或功能維持（HDI）；而令人驚訝的是，部分在主動探索中本無頭向表征的神經元（HDA），在行為約束下“獲得"了頭向編碼能力。這一現象表明，內嗅皮層的空間表征并非固化的神經標簽，而是在行為約束下發生了功能重構。

圖2. 小鼠內嗅皮層頭向細胞在行為約束下重構

在缺乏主動運動指令的情況下，這種新型頭向編碼的信息來源是什么？實驗證明，被動移動下的頭向編碼高度依賴于外部感官線索的豐度（如視覺和嗅覺參照物），而與小車的運動速度無關。進一步分析顯示，這種表征的重構并非瞬時完成，而是一個依賴經驗的動態學習過程。通過將被動移動階段按時間順序平均劃分成五個階段（blocks），研究發現在初次接受行為約束的小鼠（na?ve）中，HDA細胞的頭向編碼隨著時間推移逐漸形成并趨于成熟，而這種學習現象在HDI細胞中并不存在。這種新構建的“空間地圖"一旦形成便具有較高的穩定性，可被系統長期保存，以便在后續類似的交互模態中被精準調用。

綜上所述，該研究通過探究行為約束條件下動物內嗅皮層的頭向表征，闡明頭向編碼并非固化在特定神經元上的靜態屬性，而是大腦根據環境與運動狀態，通過學習與整合過程構建出來的一種能力。這種編碼的靈活性展現了神經系統驚人的適應能力，為理解動物在各種復雜多變環境下導航的魯棒性提供了全新的實驗證據。

北京大學苗成林研究員和阿根廷Leloir研究所Emilio Kropff研究員是這一研究成果的共同通訊作者。北京大學劉若瑾、郝珺為該研究的共同第一作者，實驗室成員張翔、文詩丹、楊悠然、蔡海倩和高開對該論文做出重要貢獻。本工作得到了中國科學技術部、臨港實驗室、啟東產業創新基金、北京市杰出青年學者科學基金、中國政府外國專家項目以及阿根廷科學部的資助。本工作感謝北京大學國家蛋白質科學中心（北京）的幫助。

【參考文獻】

Liu, Ruojin, et al. "Directional dynamics in the entorhinal cortex of male mice driven by behavioral constraints." Nature Communications 17.1 (2026): 3679, doi.org/10.1038/s41467-026-70289