我们对兴奋性中间神经元，星状细胞（stellate cells），介绍得还比较少，它们也有树突棘（图2.1）。对于神经网络模拟，它们与锥体神经元的区别，可能通过参数设置就能实现。在内侧内嗅皮层MEC的发育过程中，星状细胞先于锥体神经元出现[1]，先确定了位置。而上一节讲到的从背侧至腹侧，半径增大的网格细胞模块（图26.1），需要锥体神经元与星状细胞以及抑制性的中间神经元共同形成（图26.2， 图26.3）。这些从背侧至腹侧半径增大的网格，在发育过程中，除了细胞迁徙，从分子梯度角度很可能也是由图灵反应的扩散-抑制（图14.2）形成的，在电活动层面进一步优化完善。

图26.1 成簇网格细胞模块的扭曲甜甜圈状模块。(a)大鼠一个模块中149个细胞在旷场实验中的激活。蓝绿黄色阶是每个图（网格细胞）归一化的，原始最大值从0.2至35赫兹。（b）该实验149个细胞的时序数据非线性降维后形成甜甜圈形状。每个时间点根据第一个主成分着色。时间点连成的轨迹线与旷场实验中轨迹线对应。（c）子图a中3个网格细胞的甜甜圈（同子图b）中激活位置呈现，黑点代表该细胞激活。（d）与子图c旷场实验相同的3个网格细胞在高架跑轮实验中的激活。该网格模块数据降维后的扭曲甜甜圈形状在高架跑轮实验中与旷场实验（a-c）一致，3个细胞在甜甜圈的激活位置（黑点）也类似，但具体网格呈现与放电频率等不同（下方小图）。GS，grid scale。来自[2]

一项包括星状细胞、锥体细胞和抑制性中间神经元（图26.2A，B）的模拟研究呈现了六边形网格[3]。数学上，这种三角形阵列与正方形、空心六边形等比起来，单位面积内的细胞数即空间分辨率也是最高的[4]。而所谓band cells（文献众多，常有提及[5,6]），可能只是网格在单方向的一个特例（图26.2D）。我们在后面章节看到，当有定点强化时，六边形网格也不再完美。

图26.2 网格细胞的模拟研究。（A）内侧内嗅皮层第二层的星状细胞均匀分布，锥体神经元则设置为成簇（绿色）分布的六边形点阵。（B）模拟的三类神经元的连接示意图。（C）神经元阵列示意。每格有39个锥体神经元簇（绿色），星状细胞（灰色）及抑制性中间神经元。（D）每个细胞的激活状态由三个不同方向的冯米塞斯函数（von Mises functions）相乘而得。（E）网格细胞激活（白色）与锥体神经元簇（绿色）叠加展示，theta表示激活的方向。（F）动物在方盒中跑动时一个网格细胞表现出的六边形激活。来自[3]

上一节讲到，网格细胞因为传统上根据旷场实验中细胞放电定义，具体对应的神经元有争议。根据六边形是否完美来打分，星状细胞入选的数目是比锥体神经元更多的（类似图25.2A,B）[7]。而上述模拟研究(图26.2)[3]与内嗅皮层细胞分布及与海马theta波耦合是一致的。MEC第二层中的锥体神经元排列成六边形网格状簇，每簇的锥体神经元数目可以从几十上百（如图26.1a，[2]）多至800个[8,9]（人和其他动物可能有更大的簇）。成簇的锥体神经元在放电数据上也可以呈现出扭曲的甜甜圈结构[2]，在给定位置并不都放电（图26.1，图26.2），但同一簇内有同步性和相位差[2,8,9]。锥体神经元放电还与海马体θ波相位锁定[8]。

 

因此，在结构上和电活动表现上，MEC大量锥体神经元形成的六边形网格状簇都是网格细胞（grid cells）的物理基础。笔者认为，发育过程中铺设更早的星状细胞可能更多地其他锚定作用，类似于像素点，可以标定边界[10]。星状细胞在一项小鼠实验中放电的场地区域比锥体神经元（簇）的小[11]，但另有报道它们的树突延展其实更广[8]，细胞体也更大[7]。MEC星状细胞这似乎是适合单打独斗的灵敏设置。MEC第II层的星状细胞对海马齿状回和CA3的投射（图26.3b）也符合这种标定细节的功能。这一设置在诸如自动驾驶，机器人导航等领域都可借鉴。

这些边界或物体的标定预计还涉及抑制性中间神经元的作用（图26.3a）[12]。表达小清蛋白的抑制性中间神经元有助于维持网格模式[13]，它们比其他神经元更受变化速度所调控[13]。边界的确定可能也引入了其他信息，例如目标方向、头部方向[14,15]。网格细胞在边界处和对象周围看起来是被扭曲的[5,13,15]。同一个网格模块的相同细胞，在不同场景下可以呈现出不同的网格放电（图26.1c,d）[2]。因此，星状细胞、抑制性中间神经元与锥体神经元的组合保证了对外界环境的适应性。

锥体神经元可能只有在与星状细胞、中间神经元相作用的六边形边界处，才在电极记录的功能上表现为网格细胞，同一模块中部分锥体神经元的同步放电保证了信号的强度。大鼠网格细胞在同一模块中显示出相近的方向偏好和相近的内生θ波频率[15]（与第6章谈及的中间神经元有关）。MEC与海马的θ波和相位可用以指示运动的方向[16,17]。

图26.3 内侧内嗅皮层MEC内部（a）和内侧内嗅皮层与海马（b）之间的神经连接。（a）MEC第二层（L2）锥体细胞在星状细胞、中间神经元和其他L2锥体细胞之间形成侧向兴奋性突触，而L2星状细胞则主要通过中间神经元的前馈抑制相互通信。（b）MEC L2的星状细胞主要投射到海马齿状回（DG）和CA3，而L2和L3的锥体细胞投射到CA1。来自[12]

 

本书前文讲到了内嗅皮层LEC（时间等信息）、MEC对海马体的输入（图16.1等）。而MEC与海马体theta波的耦合往复搜索与调用、更新细节与范式（图26.3）是后文迁移学习的重要基础。我们下一节先继续讲海马体神经元作为“位置细胞”的基础应用。

 

有了这些网格细胞簇，我们在虚拟空间探索时仅从功能核磁共振（fMRI）数据就可以看到带方向的六边形网格（图26.4）。看完这些，读者认为我们记住一个房间需要多少个神经元，这其中又有多少被复用于其他类似房间呢？

 

 

图26.4 志愿者在虚拟城市探索中左侧pmEC呈现六边形网格活动。(a)一个假想的网格细胞及它的备选方向。（b）六边形网格对应60度循环出现的波峰。（c）在fMRI数据中也寻找这样波峰波谷的分布。（d）虚拟城市中从一个点到另一个点的向量，也应遵循相差60度更一致，相差30度更不一致。（e）志愿者fMRI数据中pmEC位置。(f) 左侧pmEC六边形网格活动显著，右侧不显著 (T23 = 0.57, p = 0.58)。来自[18]
 

参考文献：

[1] Donato, F., Jacobsen, R. I., Moser, M.-B. & Moser, E. I. Stellate cells drive maturation of the entorhinal-hippocampal circuit. Science(80-). 355, eaai8178 (2017).

[2] Gardner, Richard J., Erik Hermansen, Marius Pachitariu, Yoram Burak, Nils A. Baas, Benjamin A. Dunn, May-Britt Moser, and Edvard I. Moser. 2022. “Toroidal Topology of Population Activity in Grid Cells.” Nature 602 (7895): 123–128. 

[3] Wang, T. et al. Modularization of grid cells constrained by the pyramidal patch lattice. iScience 24, 102301 (2021). 

[4] Guanella, A. & Verschure, P. F. M. J. Prediction of the position of an animal based on populations of grid and place cells: a comparative simulation study. J. Integr. Neurosci. 6, 433–46 (2007). 
[5] Krupic, Julija, Marius Bauza, Stephen Burton, Caswell Barry, and John O’Keefe. 2015. “Grid Cell Symmetry Is Shaped by Environmental Geometry.” Nature 518 (7538): 232–235. https://doi.org/10.1038/NATURE14153.