| 尋找大腦中的定位系統(tǒng) |
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唐騁
新聞背景
我們?nèi)绾沃雷约荷硖幒畏?？我們怎么找到從一個地方到另一個地方的路徑？我們?nèi)绾未鎯@些信息，從而能夠在下一次立即找到這條路？
今年的三位諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎獲得者，就是研究這些問題的科學(xué)家。他們發(fā)現(xiàn)了組成大腦定位系統(tǒng)的細(xì)胞，由這些細(xì)胞組成的系統(tǒng)就是“大腦中的GPS”。
飛鴿傳書，老馬識途。人類很早就已經(jīng)意識到，很多動物都具有出類拔萃的導(dǎo)向能力，縱使萬水千山，無論陰晴雨雪，這些神奇的動物總能知道路在何方。人類當(dāng)中也不乏這樣的認(rèn)路高手，他們的腦海中似乎嵌入了一張高分辨率地圖，怎樣都不會迷失方向。他們是怎樣做到這一點的？剛剛揭曉的2014年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎向我們解答了這個問題。
約翰·奧基夫
破解空間位置記憶機(jī)制
如何才能不迷路呢？首先，我們必須知道自己要去的是個怎樣的地方。譬如說，我要去北京故宮，首先就得知道那是一個有著紅色宮墻、金色琉璃瓦的巨大宮殿。抽象一些說，我們要通過一系列特征來確定某一個位置。特征與位置的聯(lián)系一旦建立，就可以在大腦中長期保留，這種專門記憶位置信息的記憶，在神經(jīng)科學(xué)上有個專門的名稱叫做“空間位置記憶”。
早在20世紀(jì)50年代，科學(xué)家們就通過對一些腦外傷患者的研究了解到，建立記憶的過程和大腦中一塊被稱為“海馬”的腦區(qū)密切相關(guān)。因此，空間位置記憶作為一種記憶形式，科學(xué)家的目光很自然地也就集中在了海馬這個腦區(qū)上。而實驗也佐證了這樣的觀點：我們知道，像老鼠之類整天在錯綜復(fù)雜的洞穴中穿行的動物，天生就擁有極為強大的導(dǎo)向能力，然而如果科學(xué)家們?nèi)藶榈厝デ谐笫蠡蛘咝∈蟠竽X中的海馬，它們也會一下子變成“迷途的老鼠”。
1971年，本屆諾貝爾生理及醫(yī)學(xué)獎得主之一，倫敦大學(xué)學(xué)院的約翰·奧基夫，就在前人工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計了這樣一個實驗：他們先在大鼠的海馬中植入了一個記錄電極，然后將大鼠放置在一個空曠的房間中讓其自由活動。
經(jīng)過長時間的努力，他們在紛亂錯雜的神經(jīng)信號中分離出了一組獨特的信號，而這組獨特的信號則來自一類獨特的神經(jīng)元，奧基夫?qū)⑦@類神經(jīng)元命名為“位置細(xì)胞”。位置細(xì)胞的獨特之處在于，他們的活躍程度只和大鼠所處的位置有關(guān)系：當(dāng)大鼠待在某個特定區(qū)域時，某幾個特定的位置細(xì)胞就會變得特別活躍；而當(dāng)大鼠跑到另一個區(qū)域時，就會有另外一批位置細(xì)胞活躍起來。雖然位置細(xì)胞的總數(shù)量并不算很多，但是他們通過不同的組合方式可以包含海量的信息，每種特定的位置細(xì)胞的組合就對應(yīng)一個特定的區(qū)域，當(dāng)大鼠進(jìn)入這個區(qū)域時，該組合的位置細(xì)胞就會活躍。奧基夫的團(tuán)隊將這個區(qū)域定義為其對應(yīng)位置細(xì)胞組合的“發(fā)放場”。
在奧基夫?qū)ξ恢眉?xì)胞超過30年的研究中，他們了解到位置細(xì)胞能夠和海馬中其他的細(xì)胞合作，將那些來自大鼠感覺器官當(dāng)時所處環(huán)境的特征信息，與過往記錄到的不同位置的特征信息加以比對。
通過這種方法，我們的大腦將特定的特征信息與特定的空間位置聯(lián)系起來，形成了空間位置記憶。位置細(xì)胞在空間位置記憶中發(fā)揮著核心作用，如果用某些實驗方法特異性地殺死大鼠腦中的位置細(xì)胞而保留別的細(xì)胞，那么這只大鼠的空間位置記憶就會受損但不會影響到其他的記憶。
和別的記憶一樣，這種空間位置記憶既可以隨著時間推移而遺忘，也可以通過反復(fù)訓(xùn)練來加強，乃至終身保留。但是這種記憶的特殊之處在于它擁有一定的可塑性：當(dāng)環(huán)境發(fā)生一定程度的變化時，這些記憶也可以根據(jù)環(huán)境改變作出一定的修正，這解釋了我們?yōu)槭裁茨茉谥茉猸h(huán)境不斷變化時，依然可以準(zhǔn)確地記住那些地點。
除此以外，他和他的團(tuán)隊還注意到位置細(xì)胞還可以再細(xì)分出一些亞類，比如有一類專門對活動邊界——一堵墻或是一道無法跨越的溝壑——敏感的神經(jīng)元，他們將其命名為“邊界細(xì)胞”。邊界對于動物的活動具有非常特殊的意義，所以邊界細(xì)胞就從一般的位置細(xì)胞中獨立出來專門用來記住活動的邊界。
然而，僅僅能夠記住地區(qū)的特征，還不足以解釋動物的空間定位能力。如果地圖描述了每一個地方的特征，卻沒有告訴我們這些地點的相對位置，我們依然無法憑借這些信息進(jìn)行導(dǎo)航。
莫澤夫婦
發(fā)現(xiàn)大腦中的空間坐標(biāo)系
為了能夠更好地描述不同地點的位置信息，人們在地圖上引入了“經(jīng)緯度”的概念，這種不依賴于具體位置特征的完全均勻的空間坐標(biāo)系，能夠賦予地圖上每一個地點一個獨一無二且方便查找的坐標(biāo)。
在奧基夫發(fā)現(xiàn)位置細(xì)胞30多年后，一對科學(xué)家夫婦，梅-布里特·莫澤和她的丈夫愛德華·莫澤通過一系列實驗證明，動物的大腦當(dāng)中也存在類似的建立空間坐標(biāo)系的機(jī)制。這些發(fā)現(xiàn)使他們與奧基夫共享了今年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。
在此之前，學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為，動物的空間定位能力完全來自于海馬的記憶，因此對于空間定位機(jī)制的研究也一直局限在海馬內(nèi)部。而莫澤爾夫婦在奧基夫以及該領(lǐng)域另一位“大腕”理查德·莫里斯的實驗室做訪問學(xué)者期間，獨辟蹊徑地想到空間定位機(jī)制可能還依賴于海馬之外的腦區(qū)。
不過想歸想，具體做起來則是另一回事了。人類大腦的復(fù)雜程度超過現(xiàn)在已知的任何一條超級計算機(jī)的集成電路，要在天文數(shù)字?jǐn)?shù)量級別的大腦神經(jīng)連接中尋找潛藏的目標(biāo)絕非易事。然而莫澤夫婦還是接受了這個挑戰(zhàn)，他們從投射向海馬的上游神經(jīng)元入手，經(jīng)過多年努力搜索，終于在2005年于海馬以外一個叫做“內(nèi)嗅皮質(zhì)”的腦區(qū)里，發(fā)現(xiàn)了一種全新的神經(jīng)元，他們將其命名為網(wǎng)格細(xì)胞。
這個網(wǎng)格細(xì)胞和之前的位置細(xì)胞比起來就更有特色了。雖然網(wǎng)格細(xì)胞的活躍也和動物所處的位置有關(guān)，也有自己的發(fā)放場，但是與位置細(xì)胞不同，網(wǎng)格細(xì)胞的活躍并不依賴于外界輸入的特征信息。任意一個網(wǎng)格細(xì)胞的發(fā)放場在空間中均勻分布，并且呈現(xiàn)出一種蜂巢式的六邊形網(wǎng)格狀。不同的網(wǎng)格細(xì)胞擁有不同分布的六邊形網(wǎng)格狀發(fā)放場，對于給定空間的任意一點，都會落入幾個特定組合的網(wǎng)格細(xì)胞的發(fā)放場中，因此網(wǎng)格細(xì)胞可以利用不同的組合來編碼空間中的任意一點，從而給與空間中每一個位置以一個獨一無二的坐標(biāo)。
再后來，隨著計算神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家通過對神經(jīng)元的直接檢測以及計算機(jī)模擬，逐漸揭示出網(wǎng)格細(xì)胞能夠借助一種非常復(fù)雜的算法，整合來自邊界細(xì)胞等各方面的信息，實時確定自己在這個六邊形坐標(biāo)系中的精確坐標(biāo)。
奧基夫和莫澤夫婦的工作為人類理解認(rèn)知機(jī)制，探索神經(jīng)科學(xué)作出了杰出的貢獻(xiàn)。即使無需動用位置細(xì)胞，他們在科學(xué)發(fā)展中的位置，也必將會被人們所銘記。
（作者為果殼網(wǎng)會員）
延伸閱讀
發(fā)現(xiàn)大腦GPS的數(shù)學(xué)原理
深入解讀莫澤夫婦的研究結(jié)果就會發(fā)現(xiàn)，人的大腦中的網(wǎng)格細(xì)胞遵循著一種嚴(yán)格的數(shù)學(xué)公式在運行，這種數(shù)學(xué)公式的產(chǎn)生也得力于神經(jīng)細(xì)胞的排列位置。例如，那些產(chǎn)生較小圖形以及較窄空間間隔的細(xì)胞都位于內(nèi)嗅皮層的頂部，而那些產(chǎn)生較大網(wǎng)格的細(xì)胞則位于底部的位置。
此外，那些產(chǎn)生相同大小與方位圖形的細(xì)胞似乎都聚集在一起，形成一個獨立單元。這些單元沿著內(nèi)嗅皮層上下方向分布的順序排列，并且所有這些單元從小到大，每隔一個產(chǎn)生圖形的大小都擴(kuò)大1.4倍。這種倍數(shù)關(guān)系是一種簡單的數(shù)學(xué)公式，但又讓大腦容易記住空間位置。
此外，網(wǎng)格細(xì)胞也展示了人們大腦中另一種數(shù)學(xué)能力，即對幾何圖形的辨識。因為數(shù)學(xué)家發(fā)現(xiàn)，六邊形是借助最小網(wǎng)格數(shù)量達(dá)成最高空間分辨率的最優(yōu)化圖形方案。這種形式最節(jié)約能量，也展示了大腦在進(jìn)化中逐漸發(fā)展為精確和有效地指揮人們的行動。（張?zhí)锟保?/p>
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