2025年8月26日，《自然-神经科学》发表的一项研究，通过精妙的虚拟现实（VR）任务和计算模型，首次揭示了海马位置细胞如何利用θ节律的不同相位，同时处理两种截然不同的空间信息：来自外部地标的“他源”（allothetic）线索和来自自身运动的“自源”（idiothetic）线索。研究发现，θ节律的晚期相位持续支持预测未来位置的“相位进动”（precession），而早期相位则在需要建立新异线索关联时，支持回溯性地编码刚经过位置的“相位回动”（procession），从而在亚秒级时间尺度上实现了功能性的“复用”（multiplexing）。
海马体是大脑中负责空间导航和情景记忆的核心结构。其中的位置细胞（place cells），其放电活动与海马体的θ节律（4-12 Hz）之间存在一种精密的时序关系，被称为“相位进动”（phase precession）：当大鼠跑过一个位置细胞的“位置野”时，该细胞的放电会从θ节律的晚期相位逐渐“前进”到早期相位。这一现象被认为可以将空间位置序列压缩到单个θ周期内，以支持记忆和规划。
然而，近年研究发现，位置细胞还存在一种反向的“相位回动”（phase procession）——放电从θ早期向晚期“后退”。这种反向编码的功能意义，以及何种因素决定了相位进动与回动的切换，始终是领域内的核心谜题。
来自美国约翰·霍普金斯大学的研究团队，利用一种独特的圆顶VR系统（Dome VR），巧妙地解耦了两种空间线索：大鼠在VR中沿着一条环形轨迹奔跑，其自身运动信息（自源线索）与视觉地标信息（他源线索）之间的增益关系可以被精确操控。通过在CA1区进行高通量电生理记录并结合计算模型，研究者系统性地解开了这一谜题。
他源线索主导时：相位进动与回动共存，各司其职
在VR环境中，当视觉地标与自身运动信息一致时（增益G=1），大鼠的位置细胞表现出经典的双峰θ相位放电模式：一个主峰在θ晚期，另一个次峰在θ早期（图1）。
通过创新的单圈分析，研究者发现这两个峰分别对应了两种截然不同的相位动态（图2）：
- θ晚期主峰 → 经典的“相位进动”：放电从θ晚期向早期移动，这被广泛认为支持对即将到来的位置序列的预测性编码。
- θ早期次峰 → 反向的“相位回动”：放电从θ早期向晚期移动，这在单圈水平上首次被清晰揭示，其功能与对已发生事件的回顾性编码或新信息编码相关。
计算模型进一步证实，这种复用编码模式（同时进行前瞻和回顾）可能源于海马网络接收到两种相位不同的兴奋性输入，分别由不同空间线索所驱动。
线索冲突时：相位回动选择性减弱，揭示其编码新异关联
为了探究两种相位编码模式的功能，研究者系统性地改变了视觉地标与自身运动信息之间的增益关系（G=0.8或1.2），制造了两类空间线索之间的冲突。
结果清晰显示（图3,4）：
- 相位进动（θ晚期）保持稳健：无论增益如何变化，θ晚期的相位进动斜率、相关性等指标均未受显著影响。这表明，基于自身运动信息的路径整合，足以维持对未来位置的预测性编码。
- 相位回动（θ早期）显著减弱：当增益偏离1时，θ早期的相位回动现象大幅减弱甚至消失（图3d,e）。这强烈暗示，相位回动依赖于外部地标与内部感觉信息之间稳定、可预测的关联。当这种关联被打破（增益变化）时，与编码新异关联相关的回动便会被抑制。
“回动”的功能意义：编码新异空间关联的直接证据
为了直接验证相位回动是否真的与学习新关联相关，研究者分析了当大鼠在VR中首次经历“增益变化”（即空间线索关联被改变）时的神经活动。结果发现，在增益变化后的最初几圈，位置细胞的相位回动强度显著增加，随后逐渐回落（图5）。这直接证明，θ早期的相位回动是一种专门用于“在线”编码和学习新的空间关联（如地标与路径的校准）的神经机制。当新关联建立后，回动便随之减弱。
总结与展望
这项研究首次在单圈精度上解析了海马θ节律中位置细胞“进动”与“回动”共存的现象，并明确了它们的功能分工：θ晚期相位进动负责基于路径整合的预测性编码，而θ早期相位回动则负责检测并编码外部地标与内部感觉之间的新异关联。
这一“复用相位编码”模型为理解海马体如何整合多源空间信息提供了全新的框架：
- 揭示了海马计算的灵活性：在单个θ周期内，海马网络能同时进行前瞻（预测）和回顾（编码）两种计算，并根据当前的学习需求动态调节。
- 统一了看似矛盾的现象：为过往研究中关于相位进动和回动的争论提供了统一解释——它们并非互相排斥，而是服务于不同计算目标的并行过程。
- 启发了记忆巩固理论：提示θ早期相位的回动可能在记忆的初始编码（acquisition）和巩固（consolidation）中扮演关键角色，尤其是在需要将新信息整合到已有认知地图中时。
参考文献：
Sueoka, Y., Jayakumar, R.P., Madhav, M.S. et al. Allothetic and idiothetic spatial cues control the multiplexed theta phase coding of place cells. Nat Neurosci 28, 2106–2117 (2025).
相关阅读：
- Wang, M. et al. Alternating sequences of future and past behavior encoded within hippocampal theta oscillations. Science 370, 247–250 (2020).
- Jayakumar, R. P. et al. Recalibration of path integration in hippocampal place cells. Nature 566, 533–537 (2019).