为了在一个环境中成功导航，你需要不断追踪你的头部的速度和方向，即使是在黑暗中。伦敦大学学院（UCL）的Sainsbury Wellcome中心的研究人员发现，在小鼠中，大脑中一个被称为压后皮质的区域中的单个细胞和细胞网络是如何编码这种角度的头部运动的，以便在白天和夜间都能进行导航。
“当你坐在一辆行驶的火车上时，世界以车厢运动的速度经过你的窗口，但外部世界的物体也在相对于彼此运动着。我们实验室的主要目标之一是了解大脑如何利用外部和内部信息来区分以分配为中心和以自我为中心的运动。这篇论文是帮助我们了解单个细胞是否真的能够获得自我运动，以及在可用的情况下，由此产生的外部视觉运动信号的第一步，”Sainsbury Wellcome中心的副主任和论文的通讯作者Troy Margrie说。
在周二发表在《神经元》上的这项研究中，该中心的研究人员发现，压后皮质使用前庭信号来编码头部的速度和方向。然而，当灯光亮起时，头部运动的编码明显更准确。
“当灯光亮起时，视觉地标可以更好地估计你自己的速度（你的头正在移动的速度）。如果你不能非常可靠地编码你的头部转动速度，那么你很快就会失去方向感。这可能解释了为什么，特别是在新的环境中，一旦灯光熄灭，我们的导航能力会变得更差，”Troy Margrie说。
为了了解大脑是如何在有和没有视觉线索的情况下实现导航的，研究人员在动物自由地在一个大舞台上漫游时，记录了来自压后皮质各层的神经元。这使神经科学家们能够确定大脑中被称为“angular head velocity ”(AHV) 细胞的神经元，这些细胞追踪头部的速度和方向。
Margrie Lab实验室的高级研究员、该论文的主要作者Sepiedeh Keshavarzi随后也在头部固定的条件下从这些相同的AHV神经元中进行了记录，以允许去除特定的感觉/运动信息。通过比较在黑暗中和有视觉线索的情况下非常精确的头部旋转角度，以及自由移动条件下的结果，Sepiedeh能够确定，虽然单独的前庭输入可以产生头部角速度信号，但当有视觉信息时，它们对头部运动速度的敏感性会大大改善。
“虽然已经知道后枕部皮层参与了空间方向的编码和自我运动引导的导航，但这项研究使我们能够在网络和细胞水平上考察整合。我们表明，一个细胞可以看到两种信号：前庭和视觉。同样至关重要的是开发了一项行为任务，使我们能够确定，当有视觉线索出现时，小鼠会提高对自己头部角速度的估计。”Troy Margrie评论说：“当有视觉线索时，头部运动的编码和小鼠对其运动速度的估计都有明显的改善，这一点非常令人信服。”
研究人员计划下一步探索将前庭和视觉信息带到压后皮质的途径，以及这些信号可能被“转发”到哪里。研究人员现在知道，例如，有一个与初级视觉皮层的强大反馈回路，它也接收与跑步速度有关的运动信号。未来旨在隔离和操纵特定类型的神经活动的实验将告诉研究人员，大脑皮层是如何将自我运动产生的信号与分配中心的信号区分开来的，这一过程对于我们如何在复杂的视觉世界中导航至关重要。