A072 Nat Commun | 重磅！内嗅皮层网格编码最新发现：记忆形成中的“眼动地图”
来源：公众号 PSY-Brain_Frontier ｜ 发布：2025-10-26 ｜ 原文链接
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基本信息
Title:Entorhinal grid-like codes for visual space during memory formation
发表时间：2025.10.20
Journal：Nature Communications
影响因子：15.7
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引言：“扫视”图片能帮我们记忆？
请回想一个熟悉的场景：您正在翻阅几年前的度假照片。当一张特定海滩的照片映入眼帘时，您几乎瞬间就认出了它。这种记忆的唤醒，不仅仅是因为您记得那片海滩本身，更是因为您记住了它的空间布局——阳伞相对于海浪的位置，您从沙滩巾走向海水的路径。这个看似毫不费力的记忆过程，背后却依赖于一套极其复杂的神经导航系统。如果说，您的大脑内置了一套“视觉GPS”，能够实时绘制并记录一张图片内部的空间信息，而激活这套GPS的方式，正是通过您眼睛的快速、扫掠式的运动，这听起来是不是有些不可思议？
我们的眼睛并非被动地接收信息。每一次快速的眼球跳动，即“扫视”（saccades），都是一次主动的信息采集行为，是我们构建视觉世界和形成场景记忆的基础 。而在大脑深处，一个名为内嗅皮层（entorhinal cortex）的区域，因其内部存在着一种特殊的神经元——“网格细胞”（grid cells）而闻名于世。这些细胞以一种精密的六边形网格模式放电，为我们在物理空间中的导航提供了类似经纬度的坐标系，这一发现曾摘得诺贝尔奖的桂冠 。
长期以来，科学家们认为网格细胞是身体的导航员。然而，后续在非人灵长类动物中的研究发现，当眼睛探索视觉场景时，这些网格细胞同样会被激活，其活动与扫视的方向和位置密切相关 。这一发现将网格细胞的功能从物理空间延伸到了二维的视觉空间，并引出了一个深刻的问题：在人类大脑中，这套由扫视驱动的“视觉网格系统”，是否在我们记忆所见场景的过程中扮演着关键角色？它是否就是我们形成和巩固视觉记忆的神经基础？一项发表于《自然·通讯》的研究深入探索了这片未知的领域。然而，研究的发现却带来了一个出人意料的转折——尽管这套“视觉GPS”确实存在且与记忆成功相关，但其工作方式却颠覆了我们关于“大脑活动越强，功能越好”的传统认知。
省流总结
对于时间紧张的读者，以下是本研究的核心发现摘要：
- “视觉GPS”真实存在： 当我们通过眼球扫视来观察和记忆场景图片时，大脑的内嗅皮层确实会产生一种具有六边形规律的神经活动模式，即“网格样编码”（grid-like codes）。这证实了大脑在处理二维视觉空间时，也使用了类似GPS的坐标系统 。
- 编码与记忆成功挂钩： 这种网格样编码并非在所有情况下都出现。它主要在那些我们后来能够成功记住的图片（后续击中，hits）的编码阶段才显著激活，这表明它与有效的记忆形成过程直接相关 。
- 惊人反转——“弱即是强”： 研究中最出乎意料的发现是，网格样编码的信号强度与个体的记忆表现呈现出显著的负相关。换言之，那些内嗅皮层网格信号较弱的被试，反而在后续的记忆测试中表现得更好。这一发现挑战了“神经活动越强则功能越优”的传统观念 。
- 记忆与运动的联动： 内嗅皮层的网格信号与大脑中负责眼球运动的“指挥中心”——额叶眼区（Frontal Eye Fields, FEF）的活动是同步的。这揭示了负责高级记忆的内侧颞叶系统和负责眼动控制的额叶区域之间存在着紧密的协同工作关系 。
- 研究严谨，双重验证： 为了确保结论的可靠性，研究人员在两个完全独立的、在不同研究机构进行的数据集中均验证了上述核心发现，极大地增强了结果的可信度 。
研究背景
要理解这项研究的重要性，我们必须追溯到网格细胞的发现之旅。最初，研究人员在啮齿动物的大脑中发现了这些神奇的神经元。当动物在环境中自由探索时，内嗅皮层中的网格细胞会在多个空间位置上放电，而这些放电点在空间中连接起来，会形成一个惊人规整的六边形网格 。这套系统就像大脑内置的坐标纸，为动物提供了关于位置、距离和方向的精确信息，是空间导航能力的核心。
随后，科学界迈出了关键的一步：将研究从物理空间转向了视觉空间。Killian及其同事在非人灵长类动物中发现，当猴子自由观看屏幕上的图像时，其内嗅皮层中也存在类似的网格细胞活动。这些“视觉网格细胞”的放电模式不再与身体的移动相关，而是与眼睛的凝视点位置和扫视方向相关联。这暗示着，大脑不仅为身体的移动绘制地图，也为“目光所及之处”绘制了一幅动态的地图。
然而，在健康的人类被试中，我们无法直接记录单个神经元的活动。幸运的是，功能磁共振成像（fMRI）技术提供了一种非侵入性的替代方案。通过分析大脑血氧水平依赖（BOLD）信号，研究者可以检测到网格细胞群体活动的宏观特征，即一种具有六向对称性（6-fold symmetry）的信号调制，这被称为“网格样编码”或“网格样表征” 。此前的人类研究已经证实，在进行视觉搜索或追踪任务时，这种网格样编码确实与扫视活动相关 。
这就引出了本研究的核心动机，即填补一个关键的知识空白。我们已经知道：
- 动物的网格细胞对记忆至关重要（例如，在重复看到某个刺激时，其活动会减弱，这是一种记忆的神经标记）。
- 人类在进行视觉探索时，内嗅皮层存在与扫视相关的网格样编码。
但两者之间的关键链接仍然缺失：在人类大脑中，这种由扫视驱动的网格样编码，是否在功能上与我们形成视觉记忆的过程直接相关？ 换句话说，这幅内在的“视觉地图”真的能帮助我们记住我们所看到的东西吗？或者，它仅仅是眼球运动时产生的一种无实际功能的副现象？解答这个问题，是推动本次研究的根本动力。
研究问题
基于上述背景，研究团队提出了一系列清晰且可检验的核心科学问题，为整个研究设计了路线图：
- 存在性问题 (The Existence Question): 在人类被试观看并记忆场景图片的过程中，我们能否在内嗅皮层中稳定地检测到与眼球扫视（saccades）相关的网格样编码信号？
- 记忆相关性问题 (The Memory Relevance Question): 这种网格样编码是否与记忆的形成过程有关？具体来说，它是否只在那些后来被成功回忆起来的场景的编码阶段才出现？
- 行为关联问题 (The Brain-Behavior Question): 网格样编码的强度与个体的记忆表现（即区分新旧图片的能力）之间存在什么样的关系？是正相关（信号越强，记忆越好），还是负相关？
- 网络机制问题 (The Network Mechanism Question): 作为记忆中枢的内嗅皮层，其网格样编码活动是否与大脑中负责规划和执行眼动的其他区域（如额叶眼区FEF）存在功能上的协同？
实验设计
核心任务：一个经典的再认记忆测试
实验任务分为两个主要阶段：学习期和测试期 。
- 学习期 (Study Period): 被试躺在fMRI扫描仪中，屏幕上会呈现一系列场景图片（如海滩、森林、城市街道等）。他们的任务是尽可能地记住这些图片。
- 测试期 (Test Period): 学习阶段结束后，被试会看到一个混合的图片序列，其中包含他们刚刚看过的“旧”图片，以及一些他们从未见过的“新”图片。对于每一张图片，他们都需要判断是“旧”还是“新”。通过统计被试的正确判断（击中，hits）、错误判断（错过，misses；虚报，false alarms）等，研究者可以计算出一个名为d-prime的指标，它能精确地量化每个人的记忆辨别能力 。
关键技术：同步观测大脑与眼睛的活动
- 功能磁共振成像 (fMRI): fMRI通过测量大脑中血氧水平的变化（即BOLD信号）来间接反映神经活动。它的最大优势在于能够精确定位大脑活动的位置，告诉我们是哪个脑区在工作 。
- 眼动追踪 (Eye-Tracking): 在扫描仪内部，一台特制的摄像机会精确记录被试的眼球运动轨迹，捕捉每一次扫视的发生时间、持续时长和运动方向 。
分析的精髓：在噪声中寻找六边形信号
如何从复杂的fMRI信号中识别出网格样编码？这是整个研究分析中最核心也最巧妙的部分。我们可以用一个比喻来理解：想象内嗅皮层的神经元像一块六边形的地砖。当你的眼球进行一次扫视，就好比在这块地砖上迈出一步。如果你沿着地砖的主要轴线（例如，与一边平行或成60度角）移动，你会踩过更多的地砖缝隙；而如果你沿着一个中间角度（如30度）移动，踩过的缝隙就会更少。
该研究的分析正是基于类似的假设：如果内嗅皮层中存在网格细胞，那么当扫视方向与这片神经元“地砖”的内在轴线对齐时，应该会引发更强的fMRI信号。因此，分析模型专门检验fMRI信号是否随着扫视方向呈现出一种特定的六倍对称（6-fold symmetry）的周期性变化 。为了确保这一发现的特异性，研究者还进行了严格的控制分析，检验了其他对称模式（如4、5、7、8倍对称）。结果显示，只有六倍对称的模式是显著的，这极大地增强了结论的可靠性，表明他们捕捉到的确实是网格样信号，而非某种随机的信号波动 。
双数据集的独立重复验证
为了确保研究结果不是偶然，也不是某个特定实验室或某群被试的特有现象，研究人员分析了来自两个完全独立的研究项目的数据。这两个项目分别在荷兰的唐德斯研究所（Donders Institute）和奥地利的维也纳大学（University of Vienna）进行 。这种在不同数据集中的重复验证是衡量一项科学发现是否稳健可靠的黄金标准。
核心发现
发现一：越多的视觉探索，越好的记忆效果
首先，研究人员验证了一个符合直觉的行为学关联：在观看一张图片时，被试进行的扫视次数越多，他们之后就越有可能记住这张图片。此外，从个体差异的角度看，那些在整个实验中平均扫视频率更高的被试，其总体的记忆表现也更好。这为眼球运动和记忆编码之间建立了坚实的行为学基础。
发现二：大脑的“视觉网格”真实且稳健
接下来是关键的神经影像学发现。在两个独立的数据集中，研究都一致地发现，在内嗅皮层中，fMRI信号确实随着扫视方向呈现出显著的六倍对称（hexadirectional）调制 。这为人类大脑中存在“视觉网格系统”提供了强有力的证据。
这一效应具有高度的特异性，从而使其结论更加令人信服。首先，这种效应仅存在于六倍对称模型中，而其他对称模式（4、5、7或8倍）的检验均不显著 。其次，该效应也具有区域特异性，主要集中在内嗅皮层，而在海马体、视觉皮层等其他控制脑区中则未被发现 。最后，在两个数据集中，该效应都在左侧内嗅皮层表现得最为突出。这种多维度的特异性排除了许多潜在的混淆因素，有力地证明了所观测到的信号确实反映了网格细胞群体的底层活动。
发现三：视觉网格系统专为成功的记忆编码而激活
研究人员进一步将学习阶段的试次分为两类：后来被成功记住的（“击中”）和后来被遗忘的（“错过”）。分析结果令人瞩目：显著的网格样编码仅仅出现在“击中”试次的编码过程中。对于那些后来被遗忘的场景，尽管被试同样进行了扫视，但内嗅皮层并未表现出显著的网格样信号。这一发现在唐德斯和维也纳两个数据集中都得到了清晰的重复，为网格样编码与成功的记忆形成过程之间建立了直接的功能性链接。
发现四：核心悖论——更弱的网格信号，更强的记忆力
这是本研究中最令人惊讶，也是最重要的发现。当研究者分析网格样编码的信号强度与个体记忆表现（d-prime）之间的关系时，在唐德斯研究中发现了一个显著的负相关关系 。
通俗地讲，这意味着：那些内嗅皮层网格信号更弱或更不明显的被试，反而是那些在记忆测试中表现最好的人。这一结果直接挑战了“更强的大脑活动等于更好的认知表现”这一简单直观的假设。
更有趣的是，这种负相关关系在唐德斯研究中是显著的，但在维也纳研究中却不显著 。这并非重复验证的失败，而是一个揭示更深层机制的关键线索。回顾实验设计，我们可以发现唐德斯研究的任务更难（刺激更多，有分心任务），被试的记忆表现也相对较低。而维也纳研究的任务更简单，被试表现接近完美（天花板效应）。这强烈暗示，这种“弱即是强”的负相关关系，可能是一种更高效的编码策略的神经标志，而这种高效策略的优势在认知负荷较高时才凸显出来。当任务非常简单时，可能大多数人都能采用这种高效策略，从而掩盖了驱动这种相关性的个体差异。
发现五：记忆中枢与眼动指挥中心的同步协作
最后，一项全脑分析揭示了内嗅皮层并非在孤立地工作。在唐德斯研究中，那些内嗅皮层网格信号更强的试次，也伴随着左侧额叶眼区（FEF）的更强激活 。额叶眼区是大脑中负责规划和执行扫视的核心区域。这一发现表明，内嗅皮层绘制的视觉空间内部地图，与指导眼睛运动的眼动系统在功能上是实时耦合的。这揭示了记忆系统和运动控制系统之间存在着一种协调的、动态的对话。
编辑部观点
这项研究的探索之旅，将我们从一个关于“大脑GPS如何绘制视觉地图”的简单想法，引向了一个深刻而迷人的悖论。我们确认了这幅地图的存在，并且它在成功形成记忆时被激活。但与直觉相悖的是，那些似乎更少依赖这套刻板测绘系统（表现为更弱的信号）的个体，却拥有最好的记忆力。这究竟是为什么？
假说一：神经效率假说 (The Neural Efficiency Hypothesis)
这是认知神经科学，特别是智力与学习研究领域的一个前沿理论。一个更“高效”的大脑，并非工作得更“努力”（即产生更强的神经活动），而是工作得更“聪明”。一个较弱的网格样信号，可能并不代表糟糕的空间测绘能力，反而可能是一种更精炼、更稀疏、更高效的编码方式的体现。它用更少的神经元和代谢成本，就达到了相同甚至更好的记忆效果 。这好比一位新手和一位音乐大师弹奏同一首曲子。新手在挣扎中可能会表现出大脑大范围的、剧烈的活动；而大师的神经回路已经高度优化，能够以更低、更聚焦的大脑活动，完美地演绎乐曲。更好的记忆表现，可能正是这种“神经专业化”的体现。
假说二：图式与先验知识假说 (The Schema and Prior Knowledge Hypothesis)
该假说认为，大脑在编码视觉信息时可能存在两种竞争性的策略：
- 策略A（自下而上的测绘）： 利用网格系统，从零开始、一丝不苟地构建场景的视觉空间地图。这种策略注重细节，但速度慢、耗费资源，因此会产生强烈的网格信号。
- 策略B（自上而下的整合）： 快速识别场景的主旨，并将其与大脑中预先存在的心理“图式”（schema）相结合（例如，看到一张办公室图片，立刻激活关于“典型办公室”的知识框架）。这种策略严重依赖先验知识，速度快且效率高，因为它无需对每个空间细节进行详尽的测绘，从而产生较弱的网格信号 。
研究中发现的负相关关系表明，那些更擅长利用策略B（自上而下、基于图式的编码）的个体，能够取得更好的记忆成果，尤其是在像唐德斯研究那样认知要求较高的任务中。
一个关于记忆引导探索的新模型
内嗅皮层（EC）与额叶眼区（FEF）之间的功能耦合，为上述假说提供了一个潜在的神经机制。内嗅皮层的网格样编码可能为额叶眼区提供了一个空间的“先验信息”或基础地图，以指导眼球应该看向何处。
在这个框架下，我们可以对那个核心悖论进行更深入的推测。一个过于强大和刻板的网格信号，可能像一件“认知紧身衣”，迫使额叶眼区进行一种虽然系统但缺乏灵活性的地毯式扫描。相反，一个更弱、更具弹性的网格信号，可能只提供了足够的空间框架，从而解放了额叶眼区，使其能够更智能地、在先验知识的引导下，将目光直接投向场景中最重要、与图式最相关的信息点。这将EC-FEF之间的对话，从简单的“制图与执行”关系，重塑为一种在自下而上的空间表征与自上而下的目标导向注意力之间的动态博弈。
宏大启示与未来方向
这项研究深刻地挑战了神经科学中“大脑活动越多越好”的简单化观点，强调了神经计算的策略和效率才是决定认知表现的关键。
它为未来的研究开辟了新的道路。例如，研究者可以设计实验，通过操纵被试对场景的熟悉程度或先验知识，来直接检验图式假说。或者设计需要精细空间测绘与需要主旨理解的不同任务，来观察网格信号如何变化。
从临床角度看，理解这些基础机制也至关重要。内嗅皮层是阿尔茨海默病最早受损的脑区之一，而该疾病的典型症状不仅包括记忆衰退，也包括眼动模式的异常 。这项工作为我们从一个新的视角——记忆与眼动系统的失联——来理解该疾病的早期病理过程提供了重要的线索。
总而言之，这项研究是科学进步的一个绝佳范例。它在验证一个假说（扫视驱动的网格编码的存在）的同时，揭示了一个更深层、更复杂的现实。大脑用于绘制视觉记忆的地图，其力量或许不在于高声呐喊，而在于轻声低语——以一种优雅而高效的方式，同时指引着我们的眼睛和心智。
Author information
第一作者:Luise P. Graichen
Department of Cognition, Emotion, and Methods in Psychology, Faculty of Psychology, University of Vienna, Vienna, Austria
奥地利维也纳大学，认知情绪方法心理学系
通讯作者1:Isabella C. Wagner
Department of Cognition, Emotion, and Methods in Psychology, Faculty of Psychology, University of Vienna, Vienna, Austria
奥地利维也纳大学，认知情绪方法心理学系
Donders Institute for Brain, Cognition, and Behaviour, Radboud University, Nijmegen, The Netherlands
荷兰奈梅亨拉德堡大学，唐德斯脑认知行为研究所
Vienna Cognitive Science Hub, University of Vienna, Vienna, Austria
奥地利维也纳大学，维也纳认知科学中心
Centre for Microbiology and Environmental Systems Science, University of Vienna, Vienna, Austria
奥地利维也纳大学，微生物与环境系统科学中心
通讯作者2: Tobias Staudigl
Department of Psychology, Ludwig-Maximilians-Universität München, Munich, Germany
德国慕尼黑大学，心理学系
Donders Institute for Brain, Cognition, and Behaviour, Radboud University, Nijmegen, The Netherlands
荷兰奈梅亨拉德堡大学，唐德斯脑认知行为研究所
Abstract
Eye movements, such as saccades, allow us to gather information about the environment and, in this way, can shape memory. In non-human primates, saccades are associated with the activity of grid cells in the entorhinal cortex. Grid cells are essential for spatial navigation, but whether saccade-based grid-like signals play a role in human memory formation is currently unclear. Here, human participants undergo functional magnetic resonance imaging and continuous eye gaze monitoring while studying scene images. Recognition memory is probed immediately thereafter. Results reveal saccade-based grid-like codes in the left entorhinal cortex that are specific to later remembered trials during study, a finding that we replicate with an independent data set. The grid-related effects are time-locked to activation increases in the frontal eye fields. Unexpectedly, lower saccade-based grid-like codes are associated with better subsequent recognition memory performance. Our findings suggest an entorhinal map of visual space that is timed with neural activity in oculomotor regions, and negatively associated with subsequent memory. Grid-like codes, entorhinal cortex, saccades, frontal eye fields (FEF), memory, functional magnetic resonance imaging (fMRI)
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本文解读基于：Entorhinal grid-like codes for visual space during memory formation，Doi：10.1038/s41467-025-64307-z。核心图表、方法细节、统计结果与讨论见原文及其拓展数据。点击左下角 “阅读原文” 可跳转到论文源网站界面。
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审核：PsyBrain 脑心前沿编辑部
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