《Frontiers in Neuroscience》：Comparative analysis of maze complexity: implications for adult hippocampal neurogenesis
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这篇综述引入建筑空间复杂性指数（A-SCI），首次量化了16种啮齿类动物迷宫构型的空间复杂性。研究发现，A-SCI可显著区分环境富集与标准饲养条件，并揭示基于迷宫与基于兴趣点（POI）的富集在复杂度上无显著差异，为迷宫复杂性独立于跑轮运动、影响成年海马神经发生（adult hippocampal neurogenesis）提供了理论依据。研究特别指出，汉普顿宫迷宫（Hampton Court maze）复杂度评分最高，有望成为连接啮齿类与人类环境、推动跨物种神经发生研究的桥梁。
成年海马神经发生在哺乳动物（包括人类和啮齿类）中持续终生，并可被环境富集所增强。空间复杂性是环境富集的一种形式，其中迷宫结构因其与人类建筑布局、景观和城市街道网络的潜在可比性，成为研究环境对大脑可塑性影响的理想模型。然而，不同迷宫构型的相对复杂性一直缺乏量化标准，这限制了相关研究向人类环境的转化。本研究旨在应用一种新型工具——建筑空间复杂性指数（Architectural Spatial Complexity Index, A-SCI），来比较多种啮齿类迷宫构型的空间复杂性，并探讨其对促进成年海马神经发生的意义。
1 引言
迷宫对大脑适应性可塑性的影响早在空间复杂性被作为环境富集形式研究之前就已显现。尽管后续研究多采用隧道、玩具、跑轮和旷场中的兴趣点，但迷宫结构在类比人类建筑布局方面具有独特优势。由于在人类身上直接测试空间复杂性对海马神经发生的影响存在侵入性或不可行性，而依赖动物模型又面临空间复杂性表征不相关的问题，因此亟需一个评估工具。A-SCI应运而生，它是一个基于布局复杂性和兴趣点（Points of Interest, POIs）多样性与数量的定量指标，用于评估动物和人类环境的促神经发生潜力。早期研究（如Rosenzweig等人，1978）已表明，物理环境特征（而非仅仅社会性饲养）能够驱动大脑的结构和化学变化，且复杂迷宫与基于物体的环境富集对大脑皮层厚度的影响近乎相似。这支持了复杂迷宫对促进适应性可塑性（及假设中的成年海马神经发生）同样有效的观点。后续一些研究（如Fares等人，2013年的Marlau?笼和Crouzier等人，2018年的Hamlet测试）也报告了迷宫居住或训练能增加海马神经发生，但这些研究设计未能将迷宫探索与跑轮活动的效应分离开来。尽管如此，结合早期研究证据（迷宫与物体富集效果相似）以及Van Praag等人（1999）的研究（表明自愿跑动和富集环境均能支持成年海马神经发生，但方式可能不同），我们有理由推测迷宫复杂性对神经发生存在独立影响。探究这一影响不仅对动物模型研究有用，对人类也至关重要，因为成年海马神经发生与认知衰退、阿尔茨海默病、抑郁症和慢性压力等的治疗潜力相关，且持续至人类生命的第十个十年。有线索表明，人类海马体（及潜在的成年海马神经发生）受空间复杂性刺激，例如在复杂景观和城市中导航与受保护的海马体积及较低的阿尔茨海默病风险相关。A-SCI工具为此提供了跨物种比较的可行定量方法。
2 方法
本研究采用了先前研究中引入的A-SCI。该指数整合了两类权重相等的空间特征：布局复杂性变量（n=7）和兴趣点变量（n=7）。布局复杂性包括平均节点度、交叉点数量、总路段长度、路段数量、平均路段长度、平均环度和自环比例。POIs代表不同子类别的计数，在啮齿类饲养中易于理解，如隧道、房屋/圆顶/冰屋、秋千、爬行结构、楼梯/梯子/斜坡、跑轮和玩具。A-SCI分值范围为0-1，分值越高表示空间复杂性越高。数据集基于先前验证研究进行了大幅扩展，共纳入16种啮齿类迷宫构型进行分析，包括Marlau笼的六种变体、Hamlet复杂迷宫以及T迷宫、重复T迷宫、重复Y迷宫、汉普顿宫迷宫、径向8臂迷宫、填字游戏迷宫、格子迷宫和六边形迷宫等。所有迷宫的尺寸规格均来自已发表研究，布局在AutoCAD中栅格化以获取计算A-SCI所需的变量值。为控制迷宫布局复杂性的独立效应，所有迷宫首先在POI变量设为零的情况下进行分析。随后进行了三项比较评估：1）测试环境富集（合并Marlau笼、Hamlet迷宫和基于POI的富集）与标准饲养之间A-SCI得分的差异；2）测试被证明有促神经发生作用的迷宫（Marlau笼和Hamlet迷宫）、基于POI的富集以及标准饲养三者之间A-SCI得分的差异；3）评估不同迷宫布局之间A-SCI得分的差异。使用SPSS 30进行统计分析，包括描述性统计、正态性检验、方差分析（ANOVA）及事后检验（Games-Howell）等，显著性水平设为p<0.05。
3 结果
首先，独立t检验显示，合并的富集（ENR）组与标准饲养（NON-ENR）组之间的A-SCI得分存在显著差异 [t(15)=14.38, p<0.001]，ENR组（M=0.5864, SD=0.0699）得分显著高于NON-ENR组 [M=0.1533, SD=0.02805]，效应量非常大（Cohen's d=7.30）。这证实A-SCI工具能够区分促神经发生的饲养条件与标准饲养条件。
随后，单因素Welch's ANOVA显示三组（ENR_Maze, ENR_POI, NON_ENR）得分存在统计学显著差异[F(2, 6.387)=330.996, p<0.001]。然而，Games-Howell事后分析表明，基于POI的富集与基于迷宫的富集之间的A-SCI得分无显著差异，表明它们的整体复杂性没有显著不同。
之后，研究探索了不同迷宫布局的相对A-SCI得分。分析显示，不同迷宫类型的复杂性存在显著差异。有趣的是，汉普顿宫迷宫获得了最高的A-SCI得分（0.41），六边形迷宫得分第二高（0.37）。被认为可支持成年海马神经发生的Marlau笼的六种可互换配置得分集中在0.35至0.39之间，显示其不同变体间具有相对一致的建筑复杂性。格子迷宫结构与Marlau笼配置的最低阈值得分相似（0.35），而填字游戏迷宫得分为0.28，略高于有促神经发生报告的Hamlet复杂迷宫结构（0.27）。更简单的迷宫设计得分明显较低：径向8臂迷宫得分为0.20，重复10-Y迷宫、4-Y迷宫和6-T迷宫得分分别为0.23、0.17和0.21，单T迷宫得分最低，为0.14。这些结果表明，尽管存在跑轮的混杂效应，但报告能支持成年海马神经发生的Marlau笼和Hamlet迷宫，表现出与基于POI的富集同等的复杂性，并且相对高于除上述例子外的其他形式的迷宫。
4 讨论
本研究表明，A-SCI工具能够显著区分环境富集条件与标准饲养条件，且事后结果提示基于迷宫的富集与基于POI的富集之间无差异。这一发现具有理论有效性，因为先前对啮齿类的研究也提示了相同的微小差异。这暗示（但敦促未来研究验证）Marlau笼和Hamlet复杂迷宫对成年海马神经发生的增强作用是独立于跑轮效应的。此外，本文认为A-SCI工具将成年海马神经发生的环境富集研究从实验室环境扩展到人类环境，通过促进转化研究减少了差距。汉普顿宫迷宫不仅对啮齿类，而且对人类也成为一个有前景的比较范例。汉普顿宫迷宫（一个建于1690年的真实人类迷宫的啮齿类比例适配版）在所有检查的迷宫结构中获得了最高的A-SCI得分，超过了那些在结合跑轮效应下报告能支持成年海马神经发生的迷宫。这一发现对转化研究具有深远意义。如果最复杂的啮齿类迷宫是以人类环境为模型的，那么未来研究可以使用汉普顿宫迷宫作为人类和啮齿类共享的共同范例，来比较和对比成年海马神经发生。转化研究是必要的，而A-SCI工具可以促进这一研究，因为已知公寓居住的复杂性显著低于多层住宅和人类的汉普顿宫迷宫。未来研究应朝几个方向努力：首先，验证Hamlet复杂迷宫和Marlau笼独立于跑轮效应的神经发生潜力。其次，比较基于A-SCI工具生成的不同复杂性得分，汉普顿宫迷宫、Hamlet复杂迷宫和Marlau笼对啮齿类成年海马神经发生是否有不同影响。第三，跨啮齿类物种（大鼠与小鼠）和品系的比较研究将阐明A-SCI排名是否保持一致或需要物种特异性校准。第四，使用A-SCI工具的纵向研究可以追踪人类在何处度过时间，并有助于观察死后样本中受试者间成年海马神经发生标志物的变异性是否可以通过A-SCI工具为建筑生成的空间复杂性得分来解释。然而，本研究有几个局限性需要承认。当前评估基于二维测量，未来研究探索三维性（如楼层、楼梯或斜坡）如何影响A-SCI评分和富集结果将是有用的。此外，迷宫刺激神经发生的机制尚不明确，未来比较研究需考虑认知负荷和视觉空间需求等因素。例如，对人类显得复杂的迷宫配置对啮齿类可能不施加同等的认知负荷，反之亦然。同时，环境线索的可用性会显著降低导航的视觉空间需求，这对跨物种比较有重要影响。本研究的目标是双向的，通过A-SCI工具的转化能力来区分富集与非富集条件。A-SCI工具不预测因果关系，而是为探索啮齿类、人类以及两者之间复杂布局与神经发生之间的复杂关系提供了一个有用的测量方法。研究表明，如果未来研究探索可用A-SCI工具量化的迷宫的促神经发生潜力，那么啮齿类研究可以代表人类建筑、景观和布局。这种方法鼓励转化研究，并推动人类和啮齿类成年海马神经发生的研究。未来的啮齿类研究应开发更能准确复制人类建筑环境结构复杂性的微观模型，以更好地理解建筑和空间复杂性如何影响成年海马神经发生。
5 结论
本研究使用建筑空间复杂性指数（A-SCI）量化了啮齿类迷宫结构的空间复杂性，揭示了不同迷宫类型在环境富集潜力上的显著差异。A-SCI工具成功区分了富集饲养与非富集饲养，并证明了基于迷宫的富集与基于物体的环境富集在理论上的等效性，验证了早期关于两者对皮层厚度影响近乎相似的啮齿类研究。汉普顿宫迷宫（一个真实人类迷宫的啮齿类比例适配版）获得了最高的复杂性得分，超过了先前研究中已证明有促神经发生效应的Marlau笼和Hamlet迷宫。这一发现对转化研究具有深远意义：所检查的最复杂的啮齿类迷宫是以人类建筑为模型的，这为跨物种研究成年海马神经发生提供了一个可能的比较范式。未来研究应验证在控制跑轮等混杂因素时，迷宫结构复杂性是否能独立预测神经发生结果；比较不同A-SCI得分迷宫间的神经发生；并开发更具生态效度的、能更好代表人类建筑环境的啮齿类微观模型。通过提供一个神经科学 informed 的、用于评估环境复杂性的定量框架，本研究推进了关于成年海马神经发生及其对人类和啮齿类认知健康影响的转化研究。
