【基础 · 诺言 | 2014-大脑中的"GPS"】

原标题：基础 · 诺言 | 2014-大脑中的"GPS"

2014年诺贝尔生理学奖或医学奖

大脑中的“GPS”

导言

2014年诺贝尔生理学或医学奖授予英国伦敦大学学院教授约翰·奥基夫（John O"Keefe）、挪威科技大学教授迈-布里特·莫泽（May-Britt Moser）及其丈夫爱德华·莫泽（Edvard I. Moser），以表彰他们在发现“大脑中的GPS”——组成大脑定位系统的细胞方面做出的卓越贡献。

2014年诺贝尔生理学奖或化学奖获得者

背景

方位感知和导航能力是我们生存的基础，方向感让我们对自己的位置有明确的概念，导航能力则为我们的行动提供准确的引导。

但这两种能力是如何形成的？这个问题困扰了哲学家和科学家很长时间。早在200多年前，德国哲学家康德认为，某些精神上的能力是作为一种先验知识独立于经验而存在的。他认为空间概念是思想的一种内在准则，世界一直是通过这种准则被我们所感知。

随着20世纪中期行为心理学的出现，科学家们试图通过实验来解决这些疑问。当Edward Tolman研究在迷宫中移动的大鼠时，他发现它们也具有导航的能力，因此他猜想大鼠的大脑中一定形成了一幅“认知地图”从而找到走出迷宫的路。但是问题应运而生——这样的地图怎么会存在大脑中？

针对这些问题，三位诺奖获得者的研究有了初步解答。他们发现人类大脑内存在着一种定位系统，如同“内部GPS”，为我们确定空间方向；同时，他们也从细胞水平上阐释了这种高级认知功能的原理，为进一步的科学研究与应用奠定了理论基础。

发现历程

1971年，约翰·奥基夫和同事在大鼠大脑中称为海马（hippocampus）的脑区里发现了一种专门负责记忆位置特征的神经元，他们将其命名为“位置细胞”（place cell）。

当时，他们在大鼠的海马中植入了一个记录电极，然后将大鼠放置在空旷的房间中自由活动。他们发现，只有当大鼠处在特定的位置上时，特定的位置细胞才会被激活，奥基夫将那些导致特定位置细胞活跃的区域称为这些位置细胞的激发场（firing field）。大鼠通过各种感官从环境中获取外界的特征信息，而位置细胞则能够和海马中其它的细胞合作，将那些输入的特征信息与过往的不同位置的特征信息加以比对。一旦信息能够匹配上，与那个位置相对应的特定位置细胞就会被激活。通过这种方法，我们的大脑能够将特定的特征信息与特定的空间位置联系起来，从而形成了空间位置记忆。

右图中浅灰色区域为大鼠的脑，深灰色代表海马，橘黄色示意位置细胞所分布的区域。左图为大鼠在空旷房间中的运动轨迹，其中橙色的点表示当记录到某一批位置细胞活跃时大鼠所在的位置，浅橙色圆斑表示理论上这些位置细胞所对应的的发放场。

在对位置细胞超过30年的研究中，奥基夫的团队对这类细胞作了更加深入的研究。他们发现，和别的记忆一样，这种空间位置记忆既可能随着时间推移而遗忘，也可以通过反复训练来加强，乃至终身保留。但是这种记忆的特殊之处在于它拥有一定的可塑性：当环境发生一定程度的变化时，这些记忆也可以根据改变作出相应的修正。这解释了我们为什么能在周遭环境不断变化时依然可以准确地记住那些地点。此外，奥基夫还注意到位置细胞还可以分出一些亚类，比如有一类专门对活动边界敏感的神经元，他们将其命名为边界细胞（border cell），这些细胞专门负责对活动范围的界限做出记忆。

然而，仅仅能够记住地区特征还不足以解释动物的空间定位能力。如果地图描述了每一个地方的特征，却没有告诉我们这些地点的相对位置，我们依然无法凭借这些信息进行导航。为了能够更好地描述不同地点的位置信息，人们在地图上引入了“经纬度”的概念，这种不依赖于具体位置特征的完全均匀的空间坐标系能够赋予地图上每一个地点一个独一无二且方便查找的坐标。那么在大脑中，是否有类似“经纬度”的坐标信息存在呢？

在奥基夫发现位置细胞30多年后，一对科学家夫妇迈-布里特·莫泽和她的丈夫爱德华·莫泽通过一系列实验证明，动物的大脑当中存在有类似的建立空间坐标系的机制。这些发现补充了定位能力解释中的不足，使他们与奥基夫共享了2014年的诺贝尔生理学或医学奖。

此前，学术界普遍认为，动物的空间定位能力完全来自于海马的记忆，因此对于空间定位机制的研究也一直局限在海马内部。而莫泽尔夫妇在奥基夫以及该领域另一位大牛理查德·莫里斯（Richard Morris）的实验室做访问学者期间，独辟蹊径地想到空间定位机制可能还依赖于海马之外的脑区。他们从投射向海马的上游神经元入手，经过多年努力搜索，终于在2005年于海马以外一个叫做内嗅皮质（entorhinal cortex）的脑区里发现了一种全新的神经元，他们将其命名为网格细胞（grid cell）。虽然网格细胞的活跃也和动物所处的位置有关，但是与位置细胞不同，网格细胞的活跃并不依赖于外界输入的特征信息，任意一个网格细胞的发放场在空间中均匀分布，并且呈现出一种蜂巢式的六边形网格状。

左图示意当大鼠在空旷房间中运动时，某一个网格细胞的发放场。可以看出这些发放场呈现出均匀的六边形分布。右图示意网格细胞在大鼠脑中的相对位置。

网格细胞的这种独特的活动模式当时在神经科学中可以说闻所未闻，这给与了莫泽夫妇大展拳脚的广阔空间。他们一鼓作气，对网格细胞的工作机制进行了更加深入的探索。他们发现，早些年发现的另外两种细胞，即之前提到的边界细胞以及位于海马下托（subiculum）的头部方向细胞（head-direction cell），都与网格细胞具有广泛的功能联系。其中，头部方向细胞的功能在于分析来自前庭系统的信息以确定头部朝向的方向。

后来，随着计算神经科学的发展，科学家逐渐发现网格细胞可以整合来自边界细胞的边界信息、来自头部方向细胞的方向信息以及来自视觉和本体感觉的距离信息，并通过一些复杂的算法来确定自己在这个六边形坐标系中的精确坐标。

有了网格细胞确定的坐标系，又有了位置细胞记录的位置特征，再加上边界细胞划定的边界，在大脑中绘制地图所需的基本信息也就完备了。顺着这个思路，科学家们很快就建立起了一套不同导向细胞之间相互协作的理论模型。

示意来自海马（橙色）的位置细胞与边界细胞与来自内嗅皮质（蓝色）的网格细胞共同构建了动物大脑中的“认知地图”。

结语

约翰·奥基夫、迈-布里特·莫泽和爱德华·莫泽的发现解决了一个困扰哲学家和科学家数个世纪的问题——大脑是怎么构造出一幅描述我们所处环境的地图，我们又是如何在复杂环境中找到航行线路的。

不久之后，研究者在包括人类在内的基本上所有哺乳动物脑中都发现了类似的空间定位系统，为这套理论的实际运用铺平了道路。

一方面，空间位置记忆作为记忆的一种，被广泛运用到学习记忆机制的研究中。被各大实验室广泛采用的空间恐惧记忆，就是基于这套理论所建立的行为范式，这为深入理解学习记忆的机制提供了良好的研究工具。另一方面，这套理论也被应用于人类身上。一项调查显示，穿梭于迷宫般的伦敦街道的出租车司机拥有更为发达的海马，这些结果提示，只要勤加练习，大脑中的GPS也可能变得更加性能卓越。此外，如阿兹海默病（Alzheimer’s Disease，AD）等许多疾病会导致患者出现不认识路的症状，关于定位与导航的研究可以帮助医生和科学家加深对这些疾病的认识，从而更好地诊断、治疗这些病症。

图片|百度百科&nobelprize.org

文字|果壳 科技有意思

编辑＆排版|杨沛岳返回搜狐，查看更多

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