人们很早就知道，大脑中被称为海马体的区域对于记忆、学习和导航非常重要。由神经物理学家MayankMehta博士领导的加州大学洛杉矶分校实验室的科学家们现在对海马体如何在电路层面上工作(数百万个神经元参与其功能)有了更深入的了解。加州大学洛杉矶分校的研究人员在虚拟现实迷宫中研究了老鼠，在观察每只动物海马体中大量单个神经元的活动时，科学家们发现了揭示特定导航机制的神经元反应。
他们认为，这一知识可能是开发阿尔茨海默病、精神分裂症和癫痫等神经系统疾病治疗方法的重要一步，所有这些疾病都与海马体功能障碍有关。这项研究还可以帮助解释为什么海马体受损的人不仅难以完成所谓的空间任务，例如找到回家的路或找到一组丢失的钥匙，而且还难以完成记忆任务，例如回忆午餐吃了什么或者他们是否服用日常药物。
“海马体是最早受到阿尔茨海默氏症等记忆疾病影响的区域之一，”该研究的主要作者、前加州大学洛杉矶分校博士后学者贾森·摩尔博士说，他目前在纽约大学工作。“因此了解其功能、灵活性和局限性至关重要。”
梅塔和同事在《自然》杂志上发表了一篇题为“连接海马多重调节、赫布可塑性和导航”的论文，报告了他们对啮齿动物的研究。
梅塔实验室和其他地方过去25年的研究表明，神经元活动(或神经可塑性)的变化是通过称为赫布学习的过程发生的。这个过程是由一种叫做NMDA的神经化学物质介导的，它是治疗神经系统疾病的药物的常见靶点。事实上，赫布突触可塑性是该团队在论文中提到的“海马功能的支柱之一，另外还有空间导航和空间选择性。”海马体也被认为与情景记忆有关，但是，作者指出，“这四种功能之间的精确联系缺失。”
在他们新报告的进一步研究海马体神经元活动的研究中，研究人员使用了梅塔实验室开发的一种虚拟现实系统。“......我们训练四只成年老鼠执行类似于莫里斯水迷宫的虚拟导航任务(VNT)，并测量海马神经反应及其依赖于经验的可塑性，”该团队解释道。这项技术旨在让动物保持舒适，并避免引起其他VR系统可能引发的头晕和其他症状。
测试大鼠被放置在一个盒子内的小型跑步机上，盒子的墙壁上投射有迷宫的图像。鼓励老鼠穿过迷宫寻找奖励，一滴糖水。为了获得奖励，老鼠需要辨别它们相对于周围虚拟物体的位置，它们需要去哪里才能获得奖励，以及目的地有多远。研究人员进一步指出：“虚拟现实(VR)完全消除了非特异性线索和人为干预，并确保仅使用远端视觉线索进行导航，这是认知绘图的基本特征。”“与大多数地方细胞实验类似，食欲强化允许老鼠进行许多试验，并消除在水迷宫中经历的可能损害突触可塑性的压力。”
对几只动物进行了多次测试，使研究人员能够观察当老鼠学会穿越迷宫时，它们的神经元反应如何变化。他们表示：“该任务基于试验的结构使我们能够探索行为相关事件和测量序列的神经编码，例如运动的启动和方向、行驶的距离以及预期的奖励位置。”
科学家们观察到，海马神经元编码了动物位置的多个方面——它在空间中的位置、它的身体相对于它的奖励的角度，以及它沿着路径移动了多远——这种现象称为多路复用。这一发现意义重大，因为人们普遍认为海马体中的神经元只编码位置。“值得注意的是，同一个细胞可以多重并代表所有三个变量：同心空间、角度和路径距离，”该团队指出。“这支持了这样的假设：海马体学习一种模式，涉及空间和非空间成分，以实现精确导航。”
“我们发现，在虚拟迷宫中，神经元携带的关于老鼠位置的信息非常少，”加州大学洛杉矶分校神经学、神经生物学和物理学教授梅塔说。“相反，大多数神经元编码导航的其他方面，例如行驶距离和身体前进的方向。”正如该团队在报告中评论的那样，“因此，不仅神经元集合，而且单个神经元都可以提供有关整个体验期间发生的‘事情’的信息。”
科学家们还观察到，随着老鼠在迷宫中获得经验，它们的神经元会更加可靠和准确地“记住”迷宫。“神经活动和调节的强度与表现密切相关，时间关系表明神经反应影响行为，反之亦然……值得注意的是，虚拟现实环境中的神经可塑性比更简单的现实世界迷宫中要大得多，”梅塔说。“此外，这种增强的神经可塑性与表现有关。”
梅塔补充说，在老鼠身上观察到的神经可塑性很可能是由于赫布学习数十亿个突触造成的。当研究人员给动物注射抑制NMDA的物质时，这一结论得到了进一步证实，这会损害它们在迷宫中的表现。
在未来的研究中，梅塔和他的同事旨在对老鼠和有记忆障碍的人类进行类似的研究，以测试虚拟现实是否可以用于早期诊断并评估药物的有效性。正如他们在论文中总结的那样，“这些结果开启了在几乎相同、非侵入性和非厌恶性条件下使用VR来测试啮齿动物和人类的可能性，以诊断学习和记忆障碍，并实现跨物种治疗的有效转化。”
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