空间导航需要当前与目标位置关系的信息。海马神经元的活动似乎反映了这种关系，不仅表征当前位置，还呈现通往目标地点的路径。然而，关于海马如何获取目标方向信息的机制尚不明确。本研究揭示了一个前额叶-丘脑神经回路，该回路对海马表征环境中的行进路线至关重要。
研究人员在大鼠内侧前额叶皮层、丘脑连结核和海马CA1区均观测到路径依赖性神经放电活动。损毁或光遗传学抑制丘脑连结核会显著减弱CA1区的路径依赖性放电。而未接收丘脑连结核输入的海马CA3区则几乎不存在路径依赖性活动。这些数据表明，来自内侧前额叶皮层经由丘脑连结核的投射通路，对于目标导向行为中未来路径的表征具有关键作用，同时指出丘脑是参与导航的皮层区域间长程通信网络的重要枢纽。
海马位置细胞是局部空间环境认知表征的组成部分，使动物能够导航至目标位置。位置细胞可提供当前所在位置的精确信息，但关于位置细胞图谱如何引导动物从当前位置导航至环境内其他目标位置的问题仍不明确。为实现目标导向导航，研究人员提出需要建立独立的目标位置表征机制，该机制需与当前位置表征协同作用以指引网络朝向目标。此类指向信号可能通过海马位置细胞的活动得以表达。
当大鼠在T迷宫交替任务中执行左右转向交替行进时，位于迷宫主干道的位置细胞虽未改变其放电区域，但在左右转轨迹上表现出差异化的放电频率。这种轨迹依赖性既包含回顾性成分也包含前瞻性成分，同时反映动物的来源路径与目标路径。随着动物接近迷宫岔路口的决策点，神经表征会变得更加面向未来，除放电频率变化外，通常还会将即将前往的路径信息整合进表征中。
展开剩余96%位置细胞中轨迹信息的来源尚未明确。本研究采用连续版T迷宫交替任务，旨在探索后续选择信息如何引入海马位置细胞活动。研究人员提出假设：未来轨迹的选择依赖于一个包含海马体及前额叶皮层等行动评估与选择结构的更广泛神经回路。内侧前额叶皮层神经元虽不直接投射至海马体，但与内侧前额叶皮层存在解剖学双向连接的中线丘脑连结核，可能通过其在海马CA1区的密集末梢分布成为连接前额叶与海马的功能桥梁。
为验证CA1区轨迹信息是否来源于连结核，研究人员比较了CA1与CA3区的轨迹依赖性放电差异。在连续交替任务中，对363个CA1细胞和180个CA3细胞的记录显示：98个CA1细胞中55.1%表现出显著的轨迹依赖性放电频率变化，而CA3区34个细胞中仅17.7%满足该标准。CA1区的放电频率变化幅度显著高于CA3区，且位置野坐标未发生改变。
对连结核与CA1区的同步记录发现，连结核神经元虽在方形开放场中空间信息含量可忽略不计，但在交替任务中42.2%的连结核细胞表现出左右转轨迹的差异化放电。其放电频率变化幅度与CA1区相当，且不受运动速度、头部朝向等行为变量影响。这些发现支持连结核是CA1区轨迹信息主要来源的假说。
一、内侧前额叶皮层的轨迹依赖性放电
连结核接收来自内侧前额叶皮层的强烈投射，提示其可能作为前额叶与CA1区之间的中转站。若该假设成立，连结核与CA1区的轨迹信息也应存在于前额叶皮层。为验证此推论，研究人员在连续交替任务中记录了前额叶皮层细胞活动。这些神经元在方形开放场中虽未表现出显著空间选择性，但在迷宫主干道的左右转轨迹上却呈现差异化放电。38.2%的前额叶皮层细胞表现出轨迹依赖性放电频率变化，其峰值放电频率平均变化达29.6%，且该变化与行为变量无关。这些发现表明连结核与前额叶皮层共享过往及当前轨迹信息。
图1 | CA1区而非CA3区呈现轨迹依赖性放电。a，用于连续交替任务的改良T迷宫示意图。红色圆盘表示食物奖励位置，箭头指示动物行进方向。b，海马背侧冠状切片的尼氏染色结果。红色圆圈标注CA1与CA3区的电极轨迹。原始放大倍数32.5倍。c，CA1区轨迹依赖性放电示例。左图为典型CA1位置细胞在连续交替任务中的放电速率图谱（从左至右：全部回合、右转回合、左转回合）。上方标注动物编号（#16755）与单元编号（TT11_1.t）。右图显示单个细胞在迷宫主干道的放电速率均值（实线）及95%置信区间（阴影区域）。上方点状图展示左转（蓝色）与右转（红色）试验的峰电位序列。d，左图为所有主干道存在放电场的CA1细胞在左右转轨迹间的平均放电率差异。根据主干道峰值放电率高低将轨迹分类为高放电率与低放电率方向。放电速率经各细胞峰值标准化后，按高放电率轨迹的场位置排序。每行代表一个细胞，标准化放电速率以色码标示（红色较高，蓝色较低）。右上方图表展示高低放电率轨迹间峰值放电率的标准化变化分布，右下方为场位置偏移量分布。e,f，CA3位置细胞的对应数据展示，排版与c,d一致。
二、连结核失活削弱CA1区轨迹依赖性放电
为明确连结核的轨迹依赖性放电是否为海马区同类活动的必要条件，研究团队通过两种方法阻断前额叶-连结核-CA1回路：采用鹅膏蕈氨酸损毁连结核后，虽然大鼠学习表现未受影响，但CA1区轨迹编码明显受损。主干道位置细胞中仅15.9%保持轨迹依赖性放电，峰值放电频率变化降至18.7%，与对照组CA3区水平相当。通过光遗传学技术瞬时抑制连结核神经元活动，同样使轨迹依赖性细胞比例从72%降至44%，且该效应在激光停止后立即恢复。这两项实验证实连结核活动在空间导航过程中以轨迹依赖方式调控CA1细胞放电。
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三、前瞻性轨迹表征
为区分神经活动是决定后续轨迹选择还是仅反映先前路径记忆，研究人员通过三种方式验证：在错误试验中，前额叶皮层、连结核和CA1区的神经集群活动最初能表征正确轨迹，但随着动物接近决策点，解码准确率逐渐降至随机水平，表明该回路传递的信息是动物轨迹选择的重要决定因素。在延迟交替任务中，虽然延迟期间未检测到轨迹表征，但在延迟结束后，三个脑区均重新建立对后续正确轨迹的表征，且解码准确率随动物接近决策点而提升。通过数据分析提取前瞻性与回溯性成分，发现前额叶皮层、连结核和CA1区的前瞻性成分均随动物在主干道行进逐渐增强，且该成分在连结核损毁后消失。回溯性成分仅在连续任务起始段出现，在延迟任务中则完全消失。
图2 | 连结核的轨迹依赖性放电。a，尼氏染色冠状切片显示连结核内的电极轨迹（红色圆圈），虚线勾勒连结核边界。原始放大倍数32.5倍。b，典型连结核细胞在连续交替任务中的放电速率图谱（从左至右：全部回合、右转回合、左转回合）。动物与单元编号标注方式同图1b。上方为色码标示的速率图谱，下方蓝色轨迹线上叠加显示峰电位发生位置（红点）。c，图b所示细胞的平均放电速率、95%置信区间及点状图展示。d，所有连结核记录细胞在主干道上的标准化放电速率，排版格式与图1d一致。e，连结核细胞在高、低放电率轨迹间的放电速率变化，计算方式同图1d。
扩展数据图1 | 尼氏染色冠状切片展示各实验动物在CA1、CA3或连结核区域的电极定位。红色圆圈标示电极轨迹位置。每张切片上方标注大鼠编号、记录区域及电极组装类型。
这些结果表明，前额叶-连结核-CA1回路主要表征前瞻性轨迹选择，而非先前路径记忆。当工作记忆需求增加时，该回路仍能维持前瞻性成分的稳定表达。
图3 | 内侧前额叶皮层的轨迹依赖性放电。a，尼氏染色冠状切片显示内侧前额叶皮层背侧前边缘区的电极定位（红色圆圈）。原始放大倍数32.5倍。b，典型内侧前额叶皮层细胞（记录位置同图a）的放电速率图谱，排版格式与图2b一致。c，图b所示细胞的平均放电速率、95%置信区间及点状图展示。d，所有内侧前额叶皮层细胞在主干道上的标准化放电速率，展示方式同图1d。e，内侧前额叶皮层细胞在轨迹间的放电速率变化，计算方式同图1d。
扩展数据图2 | 放电率变异性对高低放电率轨迹分类的影响，CA1与CA3区的轨迹编码特性，以及内侧前额叶皮层、连结核和CA1区神经元的空间属性。a，展示放电率变异性对图1d,f、2d、3d和4d中高低放电率轨迹分类的影响。针对每个细胞，估算了其在高放电率轨迹内的放电率变异性（标准差）。随后在原始放电率数据中加入符合该标准差的高斯噪声。本图展示两组添加了独立高斯随机噪声的数据集，按图1d方式分类为高、低放电率轨迹。高低放电率轨迹间的色码差异反映了同一轨迹内的放电率变异性。这些图示与CA1（图1d）、连结核（图2d）和内侧前额叶皮层（图3d）的原始图示存在显著差异，但与CA3（图1f）及连结核损伤后CA1（图4d）的图示相似，表明后两者图示中的色码差异主要源于同一轨迹内的放电率变异性。b，箱形图显示连续交替任务中CA1与CA3在峰值放电率变化方面存在差异（左图），但场位置变化无差异（右图）。*P < 0.05。c，CA1、连结核和内侧前额叶皮层细胞的空间信息量分布（频率直方图与箱形图；*P < 0.05）。CA1神经元的单峰电位空间信息量显著高于连结核或内侧前额叶皮层神经元（CA1：1.46±0.09；连结核：0.048±0.009；内侧前额叶皮层：0.134±0.012 比特/峰电位；CA1 vs 连结核 P < 0.001；CA1 vs 内侧前额叶皮层 P < 0.001）。内侧前额叶皮层的单峰电位空间信息量也高于连结核，但以比特/秒衡量时该差异不显著，表明单峰电位差异主要源于连结核更高的放电频率（连结核：7.83±1.27 Hz，内侧前额叶皮层：4.86±0.39 Hz）。分析神经元总数：CA1区71个，连结核61个，内侧前额叶皮层164个。
扩展数据图3 | 内侧前额叶皮层电极定位与轨迹依赖性细胞分布。a，红色圆圈标示电极轨迹位置，并标注大鼠编号。b，内侧前额叶皮层各细胞的峰电位波形宽度（峰谷时间）与主干道平均放电率（双轨迹合并）。红色标示轨迹依赖性细胞，蓝色为轨迹非依赖性细胞。两类细胞的峰电位宽度无显著差异，但轨迹依赖性细胞的平均放电率显著高于非依赖性细胞（轨迹依赖性细胞8.10 Hz，非依赖性细胞5.87 Hz）。c，内侧前额叶皮层浅层与深层、前边缘区与背侧前扣带区轨迹依赖性细胞百分比。背侧前扣带区的轨迹依赖性神经元比例略高于前边缘区（45.3% vs 33.2%），而浅层与深层之间无显著差异（32.0% vs 41.0%）。
扩展数据图4 | 尼氏染色冠状切片展示动物CA1区电极定位及其连结核损伤范围。红色圆圈标示CA1区电极轨迹位置。右侧切片显示不同前后水平位的损伤区域轮廓（橙色）和连结核边界（黑色虚线）。注意所有损伤均为双侧性。连结核损伤比例（损伤连结核面积/连结核总面积）：#15465为73%；#16214为68%；#16249为85%；#16337为70%。连结核特异性损伤比例（损伤连结核面积/总损伤面积）：#15465为71%；#16214为80%；#16249为73%；#16337为80%。
四、讨论
当动物规划通往目标位置的路线时，需要评估特定移动将如何改变空间定位。本研究揭示内侧前额叶皮层、丘脑连结核和海马CA1区共同构成目标导向路径表征的神经回路基础。研究表明，虽然不同CA1细胞群在不同空间位置被激活，但这些细胞的放电频率分布共同表征了动物的预期运动方向，且该信息通过丘脑连结核从前额叶皮层传递至CA1区。在该回路的每个节点，细胞放电频率均能反映动物后续的运动轨迹。阻断连结核水平的功能会显著削弱CA1区的轨迹依赖性表征。未接收连结核直接输入的CA3细胞则几乎不表现轨迹依赖性活动，尽管该区域在感觉环境变化时会出现显著的重映射现象。
图4 | 连结核失活导致CA1区轨迹依赖性放电消失。a，尼氏染色冠状脑切片显示双侧连结核损伤区域，虚线勾勒连结核边界。原始放大倍数32.5倍。b，连结核损伤动物中典型CA1位置细胞的色码速率图谱，排版格式同图1c。c，图b所示细胞的平均放电速率、95%置信区间及点状图展示。d，连结核损伤动物所有CA1位置细胞在主干道上的标准化放电速率，展示方式同图1d。e，左右转轨迹间主干道峰值放电率的变化，计算方式同图1d。f，左图为光遗传学抑制连结核期间典型CA1位置细胞在左右转轨迹上的速率图谱（前、中、后三期），排版同图1c；中图为该细胞左右转轨迹的均值、置信区间及点状图（蓝/红色分别对应左/右转）；右图展示具有轨迹依赖性放电的CA1位置细胞在左右转轨迹间的峰值放电率变化（计算方式同图1d）。
扩展数据图5 | 消除连结核输入对CA1区行为、放电频率及局部场电位的影响。a，左图：对照组与连结核损伤动物在连续交替任务中的行为表现（正确试验百分比），无显著差异；右图：动物达到行为标准所需天数，无显著差异。b，对照组与损伤动物在主干道平均奔跑速度无显著差异。c，CA1锥体层记录的局部场电位平均频谱功率在两组间无差异。图示均值（实线）及95%置信区间（阴影区域）。d，左图：对照组与连结核损伤动物CA1位置细胞在交替轨迹间的场位置变化；右图：箱形图显示对照组与损伤动物CA1峰值放电率变化存在差异（上图），但场位置变化无差异（下图）。e，光遗传抑制连结核期间，动物行为表现无显著变化。f，激光刺激期间主干道奔跑速度无显著改变。g，主干道位置细胞平均放电率在激光刺激期间无显著变化，但刺激终止后显著降低。h，激光抑制连结核未显著改变CA1锥体层局部场电位频谱功率。图示均值（实线）及95%置信区间（阴影区域）。i，左图：交替轨迹间场位置偏移的频率直方图与箱形图；右图：箱形图显示峰值放电率变化存在显著差异（上图），但场位置变化无差异（下图）。激光刺激前具有轨迹依赖性放电的位置细胞，其左右转回合放电率变化为52.0±5.1%；刺激期间降至38.6±4.4%；刺激终止后恢复至基线水平55.0±3.9%。
扩展数据图6 | 光遗传学实验中电极与光纤定位的尼氏染色冠状切片。本图按六只实验动物分为六个区块，每区块上方标注五位数动物编号。各区块顶部两行显示CA1区电极轨迹位置（红色圆圈），左下角展示NR上方光纤位置（红色矩形框），连结核边界以黑色虚线三角形标示。光纤末端靠近中线以抑制双侧细胞活动。各区块右下角面板显示附着于光纤的电极所记录的两个典型单元放电频率（距光纤末端约750微米）。面板展示放电频率均值（实线）及95%置信区间（阴影区域），上方点状图显示峰电位序列。532纳米激光持续照射5秒（横轴0-5秒）。图中所有单元在激光照射期间均出现放电频率显著降低（t检验 P < 0.05）。与鹅膏蕈氨酸损伤毁损68-85%连结核不同，激光可能仅影响该核团的小部分区域。连结核总体积约为2立方毫米（1毫米宽×1毫米高×2毫米长）。假设光纤末端位于连结核上方250微米，激光有效抑制深度达1毫米，且该区域内所有细胞均被抑制，则激光最大影响范围约为连结核的36%。附着于光纤的电极定位在光纤末端下方约750微米处，接近卤素通道蛋白的光激活深度极限。在此深度，激光强度可能不足以最大化激活卤素通道蛋白，这种次最大化激活可能是连结核抑制反应相对缓慢（有时超过1秒）的原因。另一个影响因素可能是丘脑神经元表达T型钙通道，超极化会解除其失活状态从而增强神经元兴奋性，这种兴奋性可能会延缓连结核活动的抑制进程。
这些发现为前额叶与连结核向CA1细胞传递的信息类型提供了线索。连结核损伤会破坏空间工作记忆，而前额叶至连结核或连结核至CA1通路的失活则会损害情境辨别能力。本研究结果不支持前额叶与连结核仅参与感觉情境区分，因为除非任务涉及动物行进路径差异，这些区域细胞不会出现差异化放电。轨迹依赖性放电也不依赖于工作记忆，因为在主干道起始端设置延迟阻断后，差异化放电仍能恢复。随着动物在正确试验中接近选择点，轨迹依赖性表征逐渐增强，而在错误试验中则无此现象，这表明前额叶与连结核提供了动物意向运动的信息来源。
扩展数据图7 | CA1区、CA3区及连结核损伤动物CA1区的轨迹编码，以及行为变量对解码分析的影响。a，以CA1或CA3区主干道位置细胞的峰值放电率为输入，通过线性分类器对后续轨迹进行解码（仅含正确选择试验）。解码性能通过跨动物全数据集随机抽取细胞组进行评估，并绘制为细胞数量的函数。图示均值（实线）±标准误（阴影区域）。顶部虚线标示CA1与CA3或CA1与连结核损伤CA1间的显著差异（P < 0.05）。约15个CA1位置细胞的峰值放电率即可提供超过90%的后续轨迹解码准确率（30个细胞时达96.6±4.3%），而使用CA3细胞或连结核损伤动物的CA1细胞时解码准确率显著降低（30个细胞时：CA3为69.9±7.0%；连结核损伤为76.9±7.6%）。b，左图：以连结核损伤动物CA1位置细胞放电率为输入的解码性能（正确与错误试验分别显示）。右图：连结核损伤动物CA1细胞放电率提取的回溯性与前瞻性成分。连结核损伤特异性破坏了轨迹表征的前瞻性成分（主干道后半段后续路径解码成功率50.6±4.9%，正常动物为59.5±4.7%），而回溯性成分仍可解码（后半段回溯路径解码成功率60.1±4.9%，正常动物为63.5±4.8%）。c,d，解码性能差异并非由奔跑速度、头部朝向或横向位置差异引起。c，所有解码分析所用记录会话中，左右转轨迹的行为变量无显著差异（六区间多重比较Bonferroni校正后P > 0.05）。d，尽管行为变量存在微小系统性趋势，但通过迭代排除偏差最大试验构建子数据集后，解码性能与原数据集无显著差异，表明非显著的行为变量差异无法解释左右试验的放电差异及其解码结果。
连结核损伤未影响交替任务表现的现象引发了对轨迹依赖性放电功能的思考。轨迹信息可能通过不经过海马体的直接通路传递至运动规划系统，这或许足以支撑简单交替任务中的选择行为。而通过连结核传递至海马体的轨迹信号副本，可能仅在导航决策需要整合轨迹与位置信息时才至关重要。这种组合表征仅见于CA1区，这种非线性信息整合模式可能增强下游神经元对高维信息的区分能力，为海马输出区域（如下托或内嗅皮层）的复杂导航操作奠定基础。
五、方法
研究对象为36只雄性Long Evans大鼠。所有大鼠均单独饲养在透明有机玻璃笼箱中，其中6只仅在CA1区植入电极阵列，2只在CA1和CA3区同时植入电极，3只仅在CA3区植入电极，4只在接受连结核损伤后于CA1区植入电极，12只在连结核和海马区同时植入电极，3只在前额叶皮层植入电极，6只在连结核注射腺相关病毒后于CA1区植入电极。所有大鼠均维持自由采食体重的85%-90%，并处于12小时明暗循环环境中。行为训练与记录均在暗相阶段完成。
扩展数据图8 | 连结核与内侧前额叶皮层的放电频率无法区分离散环境。我们已证实CA1细胞通过放电频率（而非放电位置）的差异编码意向轨迹。在自由觅食动物中亦观察到类似的基于频率的编码方案，这些动物能区分颜色或形状不同但位置相同的开放场环境。基于这一相似性，我们探究了内侧前额叶皮层与连结核的活动是否也能解释离散环境间的频率差异。在房间同一位置放置的不同颜色方形箱中自由活动时，我们同步记录了CA1区51个位置细胞与连结核49个细胞（三只大鼠），另在一组动物中记录了内侧前额叶皮层176个细胞（两只大鼠）。a，同步记录的CA1与连结核典型样本在连续自由觅食试验中的色码速率图谱。顶部示意图显示不同箱色试验序列（黑-白-白-黑）。箱体位置始终不变。注意CA1出现强烈的频率重映射（放电频率改变但位置不变），而连结核无频率编码。b，内侧前额叶皮层细胞的色码速率图谱。符号同a。注意放电频率无变化。c，上图：相同（蓝色）与不同（红色）颜色配置试验间的峰值放电率变化；下图：试验间空间相关性。CA1在两种环境间的频率变化显著（同色vs异色，峰值频率变化 t₁₀₀=6.40, P<0.001），而连结核（t₉₆=0.875, P=0.38）与内侧前额叶皮层（t₃₅₀=0.924, P=0.36）无显著变化。这些结果表明CA1放电频率分布的变化可能具有多源性：虽然内侧前额叶-连结核输入可能是轨迹选择所必需的，但离散环境间的频率分布变化可能依赖其他海马输入（如来自外侧内嗅皮层的输入）。在觅食任务中，内侧前额叶皮层与连结核神经元的放电频率受后续运动方向调控，这与它们在交替任务中的轨迹依赖性放电一致。但由于该任务中运动方向多变，轨迹依赖性活动可能在时间平均的速率图谱中被抵消。考虑到内侧前额叶皮层细胞在其他条件下确实对离散刺激变化产生反应，颜色反转任务应具备足够灵敏度检测此类影响。
本研究使用钙调蛋白激酶IIα启动子调控的增强型卤素通道eNpHR3.1重组腺相关病毒。病毒载体经HEK293细胞包装纯化后，通过实时定量PCR测定病毒滴度，最终用PBS调整至每毫升1.0×10^12病毒基因组颗粒浓度。
大鼠采用异氟烷麻醉，诱导舱初始浓度为5.0%（体积/体积），气流速率设定为1.0-1.5升/分钟。为镇痛，经皮下注射替吉西（丁丙诺啡，15毫克/300克）。麻醉诱导后，将动物固定于Kopf立体定位仪，在0.5-2%异氟烷（体积/体积）浓度下进行电极植入和病毒注射，该浓度根据生理监测指标调整。在颅骨表面钻取四极管植入孔。
针对CA1或CA3区四极管记录，研究人员植入由14根独立可移动四极管组成的"超驱"装置，四极管采用17毫米聚酰亚胺包覆铂铱合金丝（90-10%，California Fine Wire）制成。四极管束呈环形结构，植入定位坐标为前囟后缘后方3.8毫米，中线旁开3.5毫米，硬脑膜下方1.0毫米。电极尖端进行铂镀层处理，使1kHz频率下电极阻抗降至100-200千欧。在7只接受NR与CA1/CA3同步记录的动物中，研究人员采用分束四极管装置，其中7根四极管（含3组独立可移动双四极管及1根参考电极）定向植入NR区（前囟后缘后方2.25毫米，中线旁开0.6毫米），另7根四极管（含6根独立可移动四极管及1根参考电极）定向植入海马区（前囟后缘后方3.25毫米，中线旁开2.5毫米）。
扩展数据图9 | 内侧前额叶皮层与连结核神经元活动在连续交替任务和开放场环境中与运动方向显著相关。a，基于动物自身运动的放电速率图谱采用已发表方法生成。简言之，通过25样本二次局部回归平滑处理位置与头部朝向数据，利用100毫秒滑动时间窗计算动物位置与朝向变化以生成运动向量。各图谱中的运动向量以4厘米/秒×4厘米/秒为单元分组，通过将峰电位触发运动向量总和除以各单元总运动向量数生成自身运动速率图谱，并采用带宽1.5单元的二维高斯滤波器平滑。为探究峰电位时序与动物前瞻性或回溯性运动的时间关系，生成相对于峰电位时间系统性偏移（从峰前1秒至峰后1秒）的峰电位触发运动向量。上图展示开放场环境中偏好左前运动的典型内侧前额叶皮层细胞色码速率图谱；下图为偏好右前运动的典型连结核细胞图谱。b，通过公式计算峰电位中的自身运动信息量，其中λ_i为第i单元平均放电率，λ为总平均放电率，p_i为动物位于第i单元的概率。阴影区域显示通过偏移峰电位时序12秒或22秒生成的置换数据集的数值范围（均值±标准误）。顶部虚线标示峰电位提供显著自身运动方向信息的时段（与置换数据集相比t检验P < 0.05）。c，记录会话内自身运动速率图谱的稳定性。将行为会话（10分钟）分为前后两半，计算两半自身运动图谱间的斯皮尔曼相关性。在峰电位时间点附近，内侧前额叶皮层与连结核均观察到显著图谱稳定性（与置换数据集相比t检验P < 0.05），表明峰电位可提供可靠的自身运动信息。d，在交替任务与开放场中同步记录的两个典型内侧前额叶皮层细胞示例。这些细胞在两类任务中呈现相似的自运动方向偏好趋势，但在交替任务中表现出比开放场探索更强的自身运动调谐特性。
光遗传学实验中，病毒溶液通过33号斜面金属针在连结核四个位点进行微量注射。注射后植入附着两根电极的光纤，使光纤末端位于连结核上方0.25毫米处。连结核损伤实验则通过注射鹅膏蕈氨酸溶液实现，注射后立即在同侧半球CA1区植入电极阵列。
电极在术后以每日微小步进向目标区域移动。CA1/CA3区锥体细胞层通过 sharp wave 和大振幅复杂峰电位活动识别。记录当日保持电极稳定以确保记录质量。对于光遗传学调控实验，通过532纳米激光脉冲进行神经抑制，激光功率密度为20-30毫瓦/平方毫米。脉冲传递由MATLAB程序通过NI-DAQ系统控制，并根据动物在迷宫中的位置实时触发。
01.改良T迷宫行为任务
研究采用两种改良T迷宫构型：110厘米×110厘米正方形迷宫和130厘米×130厘米菱形迷宫。迷宫由12厘米宽的木制跑道构成，表面覆盖橡胶垫，两侧设有2厘米高塑料挡板。中央主干道长度分别为100厘米（正方形）和120厘米（菱形）。在主干道末端两侧增设10厘米长的附加挡板以减少跑道宽度，从而最小化动物轨迹的横向偏移。奖励食物始终放置在底部臂中央的食盒中，确保运动意图效应与目标位置本身效应分离。
迷宫抬高至地面50厘米，周围设置黑色圆形帷幕（直径180厘米），三面无视觉线索，底部侧部分朝向记录室开放。每只动物随机分配一种迷宫构型进行训练记录。部分连结核或海马区植入电极的动物在完成首次记录后，会在另一种迷宫构型上继续训练。连结核记录中相同神经元在不同迷宫中均保持活性，而CA1/CA3区位置细胞在迷宫形状改变后常出现全局重映射。
术后恢复期开始行为训练。首先进行1-2天适应阶段，让大鼠自由探索迷宫并寻找食物。随后训练阶段通过实验员手动阻挡反向移动，引导动物遵循特定行进方向。当动物熟悉移动规则后，进入最终交替规则训练阶段：仅当动物选择与前次试验相反轨迹时给予奖励。每日进行3-5次10分钟训练 session，达到90%正确选择率即为达标。轨迹依赖性放电在行为达标后仍持续表达长达2-3个月。
左右转向偏好神经元数量保持平衡（CA1区：48 vs 50；CA3区：16 vs 18；连结核损伤CA1：24 vs 20；连结核：34 vs 30；前额叶皮层：176 vs 162）。图5b延迟交替任务中，在动物开始主干道行进前引入10或15秒延迟期，迷宫主干道起始端25厘米处设手动控制塑料门，延迟区两侧加装25厘米高挡板以限制横向移动。当正确选择率达到80%即为达标。
图5 | 前瞻性编码。a，采用主干道平均放电频率作为线性分类器输入，对后续正确轨迹进行解码。左上小图显示主干道被均分为六个区间，其余三个子图分别展示当动物后续选择正确与错误时，内侧前额叶皮层、连结核和CA1区按区间逐段解码的性能（均值±标准误）。解码性能均以后续正确轨迹方向为基准进行评估。顶部虚线区间表示解码性能显著优于随机水平（二项检验 P < 0.05）。b，在主干道起始端设置10-15秒延迟的试验中，对后续正确轨迹的解码结果。符号标识同a。c，通过子采样方法从放电频率中提取回溯性与前瞻性成分，该方法可抵消两种成分中其一的贡献。符号标识同a，但P值基于自助法分布计算。d，延迟交替任务中的回溯性与前瞻性成分。符号标识同c。
峰电位分类与细胞鉴定通过MATLAB平台的MClust软件进行离线聚类分析。CA1/CA3区锥体细胞通过峰电位宽度、平均放电率和簇状放电特征识别。在连续交替任务中，仅分析主干道峰值放电率超过1Hz的细胞。开放场任务中则分析平均放电率超过0.2Hz的所有单元。
轨迹依赖性放电分析首先提取动物运行速度、头部朝向和横向位置在左右轨迹间无显著差异的主干道区段。将选定主干道区段均分为6个区间，计算每个试验区间的放电率、运行速度、头部朝向和横向位置。通过双因素方差分析鉴定潜在轨迹依赖性细胞，再通过协方差分析排除行为变量影响。在连结核和前额叶皮层区域，同时考虑试验类型主效应与试验类型×区间交互作用。
空间放电率图谱构建将迷宫空间划分为10×10像素区间，仅分析动物运行速度超过10厘米/秒时段，采用高斯核函数进行时间平滑处理计算瞬时放电率。
其中g为一维高斯核函数，h为带宽，N为峰电位总数，t_i表示第i个峰电位的发放时刻。通过最小化估计速率与未知真实速率之间的均方积分误差，为每个细胞确定50-250毫秒的最优带宽。采用二维高斯滤波器对速率图谱进行平滑处理（带宽为3.3厘米×3.3厘米的单元格），并排除停留时间不足40毫秒的单元格。
通过一维高斯核函数对时间平滑后的峰电位发放速率进行线性插值，估计每个主干道位置的发放速率。分别计算左右转轨迹的发放速率均值及95%置信区间，并确定峰值发放速率及其对应位置。
解码分析采用线性解码器，通过以下公式根据主干道上的发放速率预测后续轨迹：
F代表各细胞的放电频率向量，w为对应权重向量，b为标量偏移量，y是分类器输出值（取1或-1）。通过支持向量机算法确定解码器的最优权重，该算法以最大化分类间隔为目标，避免对训练数据的过拟合，从而提升模型在任意数据集上的泛化性能。具体而言，对于给定数量的N个频率-轨迹配对试验样本(F_i, y_i)（其中i=1,2,3,...N），需寻找满足以下条件的权重向量w：
其中C为误分类惩罚参数。在整个解码分析中，我们将C值设定为1。值得注意的是，将C值调整为（0.1、10、100）均未对分析结论产生显著影响。分类器的输入数据采用各空间区间的平均放电频率。
解码性能通过留一法交叉验证进行评估，具体流程如下：从记录会话的试验集中随机选取一个试验作为测试集，其余试验作为训练集。基于训练集优化线性分类器的权重参数，并将所得权重应用于测试集进行分类预测。该过程在所有试验中循环进行，最终以测试集的分类准确率作为解码性能的评估指标。错误试验的解码性能计算则采用同次记录会话中所有正确试验优化得到的权重。
针对图5b延迟交替任务的解码分析，将延迟期划分为前后两个时间区间，主干道部分均分为四个空间区间，以各区间的平均放电频率作为解码输入。
为分离交替任务中的前瞻性与回溯性成分，我们选取了正确与错误试验数量相等的子数据集进行分析。通过平衡左右转向轨迹的数量，使得其中一种成分的影响被抵消，从而单独考察另一成分。具体方法如下：
假设我们需要根据主干道放电频率估算动物在前次试验中选择左转轨迹的概率。则正确试验中的概率可表示为：
其中“last L”表示前次试验选择左转轨迹，“LR”表示从前次左臂转向下次右臂的轨迹，“RL”表示从前次右臂转向下次左臂的轨迹。第一项表示在给定正确试验中主干道放电频率的条件下，动物前次试验选择左转轨迹的概率。需要注意的是，若已知前次轨迹方向，则根据当前试验正确与否即可确定下次轨迹选择。类似地，错误试验中的概率可表示为：
至此，轨迹表征中的回溯性成分可通过以下公式进行估算：
其中P(正确)和P(错误)分别表示正确试验与错误试验的概率。然而直接使用全部数据集计算该公式会产生向右转的偏差，因为P(正确) ≠ P(错误)。换言之，当考虑所有试验时，该公式实际计算的是P(前次左转且下次偏向右转|放电频率)。为消除后续轨迹对解码性能的影响，我们采用正确与错误试验数量相等的子数据集进行计算，此时可得：
通过采用与图5a、b相同的解码程序，可获得概率P(LR|放电频率,正确)和P(LL|放电频率,错误)。我们通过1000次随机抽样生成正确与错误试验数量相等的子数据集（自助重采样方法），从而估计解码性能的统计分布。同理，轨迹表征中的前瞻性成分可通过以下公式估算：
为比较正确与错误试验中的总体放电频率，我们将错误试验主干道放电频率归一化至正确试验水平。归一化后放电频率范围从CA1区的0.90到前额叶皮层的1.04，仅CA1组与1存在显著差异。为验证较低放电频率对错误试验的影响，将CA1组错误试验的总体放电频率乘以1/0.9的系数以匹配正确试验水平，该调整未改变放电的前瞻性与回溯性成分强度。
连续试验解码分析（图5a）所用试验数量为：前额叶皮层1,035次正确试验和27次错误试验；连结核1,199次正确试验和34次错误试验；CA1区1,145次正确试验和25次错误试验。单次记录会话细胞数量分别为：前额叶皮层14.9±0.9个；连结核4.5±0.2个；CA1区6.3±0.6个。延迟试验（图5b）数量为：前额叶皮层319次正确试验和29次错误试验；连结核637次正确试验和83次错误试验；CA1区439次正确试验和54次错误试验。单次会话细胞数量分别为：前额叶皮层8.8±0.8个；连结核5.2±0.3个；CA1区7.0±0.6个。
扩展数据图10 | 位置与轨迹的联合编码提升CA1区表征维度。轨迹依赖性编码在连续交替任务中并非必需，因为完全海马损伤的动物在该任务中表现未受损，本研究中间结核-海马通路损伤的动物也如此。这表明连续交替任务可能过于简单，其决策行为不受连结核-CA1系统损伤影响。为探究轨迹依赖性放电如何促进导航行为，我们评估了采用轨迹依赖性位置细胞（相较于使用轨迹与位置分离的细胞群）进行空间编码的表征优势。已有研究表明，单个神经元中多模态信息的非线性整合可增强下游神经元对高维信息特征组合的分类能力。类似地，我们假设CA1区轨迹依赖性位置细胞的关键优势在于增强传出神经元对位置-轨迹组合的分类能力，这一优势在仅含单一选择点的交替任务中可能不明显。a，需要区分多个位置-轨迹组合的任务示例：动物需在第一个选择点A处选择右转路径，随后在下一个选择点B处选择左转路径。b，为完成该任务，大脑可能使用能表征轨迹上运动方向与位置正确组合的细胞。示例细胞可能在动物计划于位置A右转及位置B左转时激活，其余情况不激活。c，假设主干道活跃细胞可分为三类：轨迹依赖性非位置细胞、轨迹非依赖性位置细胞及轨迹依赖性位置细胞。如图b所示的神经活动无法通过前两类细胞的任何线性组合生成（轨迹依赖性非位置细胞与轨迹非依赖性位置细胞）。假设轨迹依赖性非位置细胞的活动模式（无论右转或左转）可用以下活动矩阵表示：每行代表未来轨迹（右/左），每列表示位置（A/B）：
类似地，轨迹非依赖性位置细胞（在位置A或B具有放电场）的活动可表示如下：
由上述四类神经元线性组合驱动的下游神经元活动矩阵可表示如下：
为使下游神经元表达图b所示的目标活动模式，需满足以下条件：
其中h为活动阈值。然而(1)与(4)式求和得w_a + w_b + w_c + w_d > 2h，而(2)与(3)式求和得w_a + w_b + w_c + w_d ≤ 2h，产生矛盾。因此仅具单一选择性的神经元无法生成目标活动模式。为实现图b所示活动，需要具有非线性混合选择性的神经元，即轨迹依赖性位置细胞（参见文献35）。d，为评估记录CA1神经元可实现的模式数量，分析了12种行为状态（六个主干道位置×两种未来轨迹方向）下神经元的放电频率。除记录数据外，采用重采样方法扩展数据集：通过循环置换主干道位置间的放电频率，将原始活动序列(1 2 3 4 5 6)生成五组新活动序列。重采样不仅增加了分析神经元数量，还最小化了主干道位置间集群表征的空间偏差。随后采用线性分类器对12种状态的所有二元组合（共4096种模式）进行解码性能计算。e，分别评估CA1、CA3、连结核损伤动物CA1，以及连结核损伤动物CA1与正常动物连结核细胞组合的可实现模式数量。当解码性能优于99%时判定该二元模式可实现。结果显示：无论细胞样本量大小，CA1的可实现模式数量均显著高于其他组别，包括连结核轨迹依赖性细胞与CA1非轨迹依赖性位置细胞的组合。这表明连结核输入在CA1位置细胞中的整合是实现高维表征的关键步骤。轨迹依赖性位置细胞及前额叶-连结核-CA1回路可能构成区分复杂位置-轨迹组合的神经基础。这种组合编码为传出神经元在不同坐标系（如内嗅皮层空间细胞施加的全局参考系，以及前额叶经连结核投射定义的自身运动轨迹框架）间执行向量加减运算提供了计算基础，这类向量运算对于网络估算未来全局位置至关重要，是目标导向导航中路径规划的核心环节。
开放场测试在配备可翻转墙板（黑白双面）的方形箱体（100×100×50厘米）中进行。记录箱周围设置黑色帷幕以屏蔽远端背景线索。通过改变箱体颜色配置诱发海马频率重映射：大鼠先置于黑/白箱10分钟，随后在相反颜色箱中连续进行两个10分钟会话，最后返回原始颜色箱完成10分钟会话。连结核与CA1区记录采用黑-白-白-黑四会话序列，前额叶皮层记录采用黑-白-黑三会话序列。
所有开放场记录中，通过统计每个位置单元（5×5厘米）的峰电位总数并除以停留时间，构建空间放电分布图。采用自适应平滑方法优化平滑误差与采样误差的平衡，通过以目标点为中心扩展圆形区域直至满足特定条件来估算各空间单元的放电频率。
其中r表示圆形区域的半径（以空间单元计），n为该区域内的位置采样点数，s为对应采样点范围内的峰电位总数，常数a设定为10,000。在位置采样率为50赫兹的条件下，该点的放电频率设定为50乘以s/n。经平滑处理的速率图谱中的最大值即为该细胞的峰值放电频率。单个细胞的空间信息量通过以下公式基于放电速率图谱计算：
其中λ_i表示第i个空间单元的平均放电率，λ为总体平均放电率，p_i为动物位于第i个空间单元的概率（即该单元的停留时间占总记录时间的比例）。
通过空间相关性分析比较不同试验间的放电模式。针对每个细胞，计算两幅速率图谱共有像素点放电率的皮尔逊相关系数。在峰值放电率比较中，计算各细胞在不同箱体环境间的峰值放电率差异与其跨会话峰值放电率的比值。以所有相同颜色或不同颜色箱体会话组合的平均值作为各细胞的代表性数值。例如，在黑1、白2、白3、黑4的会话序列中，相同颜色会话对（黑1/黑4和白2/白3）相关性的平均值作为同色比较代表值，而不同会话对（黑1/白2、黑1/白3、白2/黑4、白3/黑4）的平均值则用于异色比较。
组织学处理与电极定位方面，大鼠经戊巴比妥钠过量麻醉后行心脏灌注生理盐水及4%甲醛溶液固定。取脑组织经甲醛固定后制作冷冻冠状切片（30或40微米），并进行甲苯胺蓝染色。收集所有相关脑区的切片进行分析，通过相邻切片比对识别所有电极和光纤轨迹并确定各电极尖端位置。在尼氏染色切片上勾勒连结核损伤区域的范围，损伤组织根据组织缺失、神经元染色缺失或出现固缩神经元等特征进行判定。
统计学检验均采用双侧检验。使用参数统计方法时，数据均满足正态分布假设。
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