近日，南方科技大学生命科学学院神经生物学系助理教授陈小菁团队和中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所研究员王成团队合作，在学术期刊Current Biology上发表题为“Gravity-dependent choice of frame of reference in the posterior parietal cortex”的研究论文，揭示了大脑依赖重力锚定空间朝向的编码机制。

空间导航能力是动物维系生存与开展生命活动的重要基础，也是当前智能机器人领域的关键研究议题。自20世纪下半叶起，研究人员陆续在动物多个脑区中发现多种具有特定空间编码能力的神经元类型，这些神经元能够分别表征自身及外界客体在空间中的方位与位置等信息，并通过大脑内部网络共同构建空间感知的神经基础。其中，对空间朝向的感知和编码是空间认知的重要基础之一。环境参考系的选择与组织机制一直是该领域的核心科学课题。

根据参考框架的不同，空间朝向编码可以分为两类：一类以客观世界为中心（allocentric）编码的动物自身绝对朝向；另一类以动物自我为中心（egocentric）编码的客观物体相对朝向。长期以来，研究普遍认为“视觉线索”在空间朝向编码的参考体系中居主导地位，尤其对以世界为中心的编码网络具有支配性作用。人们发现大脑对“重力线索”的感知与处理是维持该编码系统正常运作的基本前提。然而，目前人们关于“重力线索”被感知后如何参与并调控该系统的认识十分有限。

后顶叶皮层是大脑复杂网络中参与多感官线索融合、空间感知和决策等高级认知功能的关键脑区，其与丘脑前背侧核、海马体、压后皮层等空间编码的核心脑区存在直接或间接的双向投射，被认为是自我中心编码转向世界中心编码的重要枢纽。因此，该脑区是研究不同参考系下空间朝向编码机制的理想脑区。研究团队运用单光子在体钙成像技术，对小鼠后顶叶皮层脑区的大量锥体神经元进行了多种空间线索组合范式下的连续追踪和记录。研究者通过调节活动旷场的坡度引入重力线索，构建了一个从视觉线索主导的水平空间向重力与视觉线索共存的非水平空间过渡的多重空间场景。通过调节两种空间线索的相对强弱和指向性的冲突耦合关系，从而研究朝向编码系统的动态编码特性和参考系的锚定机制。

当以客观世界作为参考框架时，研究人员发现重力线索能够显著增强以世界中心为参考系的头方向细胞（head direction cells）的编码。在“重力-视觉”线索解耦等进一步实验中，团队通过单细胞水平和群体神经元编码模式分析发现，随着重力线索的引入和增强，后顶叶皮层脑区会招募更多神经元进入头方向编码网络，这些新招募细胞的方位调谐往往以重力线索为参考，被称为重力线索锚定细胞。与此同时，部分先前招募的头方向细胞也会从视觉线索参考转换为重力线索参考且继承先前的方位调谐特性。这一发现表明重力线索可以作为独立罗盘参考要素支撑头方向表征，并与视觉线索形成“竞争-协同”的复杂互作模式。

当以动物自身为参考框架时，团队发现边界细胞（egocentric border cells）在单一视觉线索条件下，其编码强度显著优于世界中心头方向，自我中心边界编码主导了后顶叶皮层脑区的空间表征模式。引入重力线索后，尽管自我中心边界细胞的招募数量呈现微弱下降，其方位调谐强度与编码一致性仍保持高度稳定，表现出显著的抗干扰特性。同时，表征环境地标信息的细胞群并未受重力线索影响。这表明后顶叶皮层脑区在整合新的世界中心参考线索时，能够依据多感官线索的可用性与相对权重，动态调节不同参考框架的平衡，维持自我中心参考系等其他空间框架的稳定表征，表现出优秀的多线索整合能力与多参考框架编码能力。该机制对于认知大脑地图构建的灵活性及其稳定性提供了有力的支撑。 

 研究通过记录小鼠在旷场中的行为轨迹与后顶叶皮层锥体神经元的钙活动信号，探究多感觉线索整合对空间参照系编码的调控机制。实验环境整合视觉线索与重力线索，以解析后顶叶皮层锥体神经元在不同感觉线索条件下，对世界中心与自我中心空间表征的编码特性。研究发现，重力线索引导了空间参考系从自我中心向世界中心的转变，并且重力和视觉线索竞争驱动头方向表征过程中参考系选择的动态转换。该现象表明，后顶叶皮层并非固定地依赖于某一特定感觉模态，而是通过评估不同外部线索的相对可靠性与强度，进行最优化的参考系选择与整合，从而实现极具鲁棒性的空间认知。

综上，本研究系统阐释了空间朝向编码在多参考系下的组织模式与锚定机制，首次发现了重力线索作为参考系驱动头方向编码，在与视觉参考系的竞争中占据主导，揭示了后顶叶皮层在整合多感觉线索构建空间表征中起到的关键作用，为探索大脑导航系统的功能边界及其网络结构本质提供了重要的实验依据与理论基础。

南方科技大学生命科学学院博士后（现为高级研究学者）赵骏宇、硕士生安佰顺与中国科学院深圳先进技术研究院助理研究员程宁为本论文的共同第一作者，陈小菁、王成为论文共同通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。该研究得到了科技创新2030—“脑科学与类脑研究”重大项目、国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市自然科学基金等资助。

论文链接：https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(25)01114-5

供稿：生命科学学院

文字：陈小菁、赵骏宇

通讯员：李沐涵

主图：丘妍

编辑：任奕霏