人類為何不迷路？

冬雪

2014年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎授予了英國倫敦大學(xué)學(xué)院教授約翰·奧基夫、挪威科技大學(xué)教授梅·布里特·莫澤和其丈夫愛德華·莫澤，因?yàn)樗麄儼l(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)成為“大腦中的GPS”。2014年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎獎金共800萬瑞典克朗（約合人民幣678萬元），奧基夫?qū)@得該獎項(xiàng)一半的獎金，莫澤夫婦共同分享另一半獎金。

“我們?nèi)绾沃牢覀兩硖幒畏?？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？”3位獲獎科學(xué)家的研究解釋了這些問題，人類大腦中一個內(nèi)置的定位系統(tǒng)可以為人們導(dǎo)航和定位。

探索大腦定位系統(tǒng)的背景

研究人員對大腦定位系統(tǒng)的探索既有生物學(xué)原因，又有社會和哲學(xué)背景。

最先引發(fā)人們關(guān)注大腦學(xué)習(xí)、記憶和辨認(rèn)方向的原因是研究人員對大腦海馬體（海馬區(qū)、海馬回）取得了初步的認(rèn)知。海馬體是哺乳類動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的一個特殊部位，是大腦邊緣系統(tǒng)的一部分。海馬體內(nèi)部的形態(tài)比較直觀，層級清晰。海馬體中的神經(jīng)細(xì)胞的細(xì)胞體和其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域呈層狀排列，根據(jù)這些排列，海馬體可分為齒狀回、海馬、下托、前下托、傍下托、內(nèi)嗅皮層。其中，齒狀回、海馬、下托的細(xì)胞層為單層，合稱海馬結(jié)構(gòu)，其上下夾雜有低細(xì)胞密度層和無細(xì)胞層。海馬體其他部位的細(xì)胞是復(fù)層結(jié)構(gòu)。

早在20世紀(jì)初就有科學(xué)家認(rèn)識到海馬體對于記憶和學(xué)習(xí)有非常重要的作用。到了1957年，加拿大蒙特利爾神經(jīng)病學(xué)研究所的科學(xué)家米爾納等人發(fā)現(xiàn)，一位叫亨利的病人患有癲癇病，因此決定對其進(jìn)行手術(shù)治療，手術(shù)切除了亨利顳葉皮層下一部分邊緣系統(tǒng)組織，其中包括兩側(cè)的海馬體。手術(shù)后亨利的癲癇癥狀被有效控制，但自此以后亨利喪失了某種記憶能力。

亨利被診斷為顳葉遺忘綜合征，這類患者的特征是無法獲得新記憶，也無法回憶損傷前幾年內(nèi)的記憶，但是能回憶起比較早期的記憶，語言、感覺和分析等能力不受影響。因此，米爾納認(rèn)為，不同類型的學(xué)習(xí)記憶由不同的大腦區(qū)域來掌管。海馬體不僅與記憶有關(guān)，也與人們記憶位置和方向有關(guān)。

更早的時候，人們認(rèn)為尋找正確的道路和辨別方向是人的一種先驗(yàn)知識。例如，200多年前德國哲學(xué)家康德就提出，人們擁有一些所謂先驗(yàn)知識，它們獨(dú)立于人的經(jīng)驗(yàn)而存在。而且，他將空間的概念視為思維的內(nèi)在屬性之一，是人們感知世界的唯一方式。但是，這只是一種設(shè)想，需要用科學(xué)試驗(yàn)來驗(yàn)證。

到了20世紀(jì)中葉，行為心理學(xué)研究開始嶄露頭角，人們開始用動物實(shí)驗(yàn)方法尋求所謂先驗(yàn)知識等問題的答案。美國行為心理學(xué)家、美國心理學(xué)會主席愛德華·托爾曼在觀察小鼠走出迷宮的行為方式時發(fā)現(xiàn)，小鼠可以學(xué)會如何判斷路徑。由此，托爾曼提出了認(rèn)知地圖的概念，認(rèn)為這種認(rèn)知地圖形成于大腦中，可以讓小鼠找到前行的路徑，而且，這也與記憶有關(guān)。人類同樣靠這樣的方式來判別方向和找到道路。

對位置的感知以及判斷方向的能力是人們生存的基礎(chǔ)。對位置的感知構(gòu)成人們在環(huán)境中對自身所處地點(diǎn)的知覺。在行進(jìn)的過程中，人們也會判斷運(yùn)動狀態(tài)、距離和當(dāng)前的位置。那么，人類和動物的這種認(rèn)知地圖，即大腦定位系統(tǒng)是如何形成的？人們又如何能夠在復(fù)雜的環(huán)境中找到方向？

這些問題促成了后來奧基夫、莫澤夫婦和其他研究人員積極探索人類和動物大腦中的定位系統(tǒng)。

奧基夫和位置細(xì)胞

英國倫敦大學(xué)學(xué)院教授約翰·奧基夫的貢獻(xiàn)在于，他最早發(fā)現(xiàn)了動物和人大腦中的位置細(xì)胞，這種位置細(xì)胞是構(gòu)成大腦定位系統(tǒng)的關(guān)鍵細(xì)胞之一。

奧基夫1939年11月18日出生于美國紐約，父母都是愛爾蘭人。奧基夫大學(xué)畢業(yè)于紐約城市學(xué)院，1967年他從加拿大麥吉爾大學(xué)獲得生理心理學(xué)博士學(xué)位。之后，他進(jìn)入倫敦大學(xué)學(xué)院做博士后。1987年至今奧基夫擔(dān)任倫敦大學(xué)學(xué)院認(rèn)知神經(jīng)學(xué)教授，擁有美國和英國雙重國籍。目前，奧基夫是倫敦大學(xué)學(xué)院神經(jīng)回路與行為中心主任。

最開始，奧基夫是被大腦如何控制行為的機(jī)理深深吸引。1960年代末，他決定采用神經(jīng)生理的方法對這一問題進(jìn)行研究。為此，他必須要掌握一些技術(shù)，其中就包括必須熟練記錄動物單個神經(jīng)元電活動。奧基夫在博士和博士后的研究中掌握了這一技術(shù)，因此他可以對在盒子或房間內(nèi)自由跑動的小鼠大腦進(jìn)行觀察。

1971年，奧基夫在記錄小鼠大腦內(nèi)海馬體單個神經(jīng)細(xì)胞信號的過程中注意到，當(dāng)小鼠位于房間內(nèi)某一特定位置時，一部分神經(jīng)細(xì)胞會被激活；但當(dāng)小鼠在房間內(nèi)的其他位置時，另外一些細(xì)胞顯示激活狀態(tài)。例如，小鼠在到達(dá)一扇門和一堵墻時，有不同的神經(jīng)細(xì)胞被激活。

從這些現(xiàn)象著手，奧基夫分析認(rèn)為，這些被激活的細(xì)胞就是小鼠感知自身位置的位置細(xì)胞，這些位置細(xì)胞并非只是簡單接收視覺信息，而是在構(gòu)建小鼠辨識自己所在房間的大腦地圖。同時，海馬體會根據(jù)不同的環(huán)境產(chǎn)生大量的地圖，這些地圖在動物所處不同環(huán)境時由大量神經(jīng)細(xì)胞共同作用而形成。因此，生物體對環(huán)境的記憶可以用海馬體中神經(jīng)細(xì)胞特定激活和組合的方式來進(jìn)行存儲。

此外，基于對小鼠的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，奧基夫和美國亞利桑那大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家納達(dá)爾共同撰寫了一本專著《海馬體是一個認(rèn)知地圖》，詳細(xì)描述了大腦中的海馬體是如何幫助動物和人辨別方向的，其本質(zhì)就是，海馬體是大腦中一種內(nèi)在的定位系統(tǒng)。

當(dāng)然，奧基夫的發(fā)現(xiàn)只是闡明了大腦定位系統(tǒng)的一個方面，還不能全面解釋人們是如何感知自己所處的方位以及人們在運(yùn)動中如何辨別距離，余下的工作則由莫澤夫婦和其他研究人員來完成，而梅·布里特·莫澤又曾師從奧基夫。

莫澤夫婦與網(wǎng)格細(xì)胞

莫澤夫婦的貢獻(xiàn)在于，他們發(fā)現(xiàn)了大腦定位系統(tǒng)中的另一種細(xì)胞——網(wǎng)格細(xì)胞。這些細(xì)胞產(chǎn)生一種坐標(biāo)體系，從而讓精確定位與路徑搜尋成為可能。他們后來的研究還揭示了位置細(xì)胞以及網(wǎng)格細(xì)胞是如何讓定位與導(dǎo)航成為可能的。

梅·布里特·莫澤于1963年1月4日出生，是挪威心理學(xué)和神經(jīng)科學(xué)家，1995年獲得神經(jīng)生理學(xué)博士學(xué)位。愛德華·莫澤出生于1962年4月27日，是挪威科技大學(xué)神經(jīng)科學(xué)和心理學(xué)教授，他和妻子梅·布里特·莫澤在2002年共同創(chuàng)辦了挪威科技大學(xué)記憶生物學(xué)中心和卡維里研究所，2014年他當(dāng)選為美國科學(xué)院外籍院士。

20世紀(jì)80年代，奧基夫發(fā)現(xiàn)大腦中的位置細(xì)胞后，莫澤夫婦就感到這一研究不僅有意思，而且意義重大，因而投入到對大腦空間記憶的研究中。莫澤夫婦反復(fù)對小鼠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)小鼠經(jīng)過更廣闊和復(fù)雜的地形時，小鼠大腦海馬體中一個名叫內(nèi)嗅皮層部位的神經(jīng)細(xì)胞發(fā)生激活。這些神經(jīng)細(xì)胞會對特定的空間模式或環(huán)境產(chǎn)生反應(yīng)，它們在整體上構(gòu)成所謂的網(wǎng)格細(xì)胞。這些神經(jīng)細(xì)胞組成一個坐標(biāo)系統(tǒng)，就像人們繪制的地圖以經(jīng)線和緯線來劃分一個個不同方向和位置的坐標(biāo)，從而讓空間和地面導(dǎo)航成為可能。

內(nèi)嗅皮層區(qū)域的其他細(xì)胞能夠判斷自身頭部對準(zhǔn)的方向以及房間的邊界位置，這些細(xì)胞與位于海馬體內(nèi)的位置細(xì)胞相互協(xié)調(diào)，構(gòu)成一個完整的神經(jīng)回路。這個回路系統(tǒng)構(gòu)成了一個復(fù)雜而精細(xì)的定位體系，這就是人和動物大腦中的定位系統(tǒng)。

莫澤夫婦早在奧斯陸大學(xué)上學(xué)時就接受電生理學(xué)家皮爾·安德森的指導(dǎo)，在切除小鼠的海馬體進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)，海馬體的一側(cè)在空間記憶方面要比另一側(cè)重要得多。大學(xué)畢業(yè)后，莫澤夫婦到位于特隆赫姆的挪威科技大學(xué)任助理教授。正是在這段時間，他們發(fā)現(xiàn)了網(wǎng)格細(xì)胞。

他們向解剖學(xué)家請教后認(rèn)識到，要準(zhǔn)確探索小鼠大腦電流的情況必須將電極插到小鼠大腦合適的位置。內(nèi)嗅皮層是大腦后下方一處垂直方向上的微小組織。過去，研究人員對這一不起眼的組織并沒有太多關(guān)注，因?yàn)檫@個部位除了非常難于接觸外，還在于其一側(cè)有一條血管經(jīng)過，在這里進(jìn)行操作可能引起致命后果。因此，植入電極的最佳位置是避開血管，并在靠近大腦皮層的地方。

他們把靈敏度極高的電極植入小鼠大腦，可以記錄到來自小鼠內(nèi)嗅皮層單個神經(jīng)細(xì)胞的信號。他們讓小鼠在實(shí)驗(yàn)盒子中行走，并持續(xù)記錄它們的大腦電信號。這些信號會被送入計算機(jī)并匹配這些神經(jīng)細(xì)胞被激活時小鼠在盒子中所處的位置。通過這種方法，他們觀察到從內(nèi)嗅皮層傳導(dǎo)出的大量大腦的信息流，這是一個突破性的發(fā)現(xiàn)。

但是，對于記錄到的小鼠大腦的這些總是重復(fù)的信號有什么意義，莫澤夫婦還不能確定。不過，一個假設(shè)在他們頭腦中顯現(xiàn)，如果能讓小鼠的活動范圍更大，那么小鼠大腦中出現(xiàn)的信號就有可能顯現(xiàn)出更大的尺度，也更容易體現(xiàn)其意義。于是，他們把小鼠裝入更大的盒子中讓小鼠奔跑。結(jié)果，計算機(jī)上的圖形模式漸漸清晰起來，這是一個呈六邊形的網(wǎng)格形狀，就像一個蜂巢。

然而，在小鼠行走的盒子里并沒有六邊形狀存在，這一形狀是在小鼠的大腦內(nèi)抽象地形成并疊加在環(huán)境背景之上的，當(dāng)小鼠經(jīng)過這一抽象六邊形上的某一點(diǎn)時，某一對應(yīng)的神經(jīng)細(xì)胞就會被激活。于是，莫澤夫婦終于意識到，這就是大腦空間的經(jīng)緯系統(tǒng)，也即大腦的圖形語言，大腦正是依靠這種語言來描繪周圍的空間環(huán)境的。2005年，莫澤夫婦正式發(fā)表了他們的研究結(jié)果。

大腦定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)原理

奧基夫發(fā)現(xiàn)的位置細(xì)胞對于人們了解大腦如何產(chǎn)生創(chuàng)造行為具有重要作用，莫澤夫婦發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)格細(xì)胞則讓人意識到，這些細(xì)胞是在幫助大腦劃分空間，精確計算所處空間起點(diǎn)到目標(biāo)位置的距離。這兩種細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)不僅幫助科學(xué)家在“了解不同類別神經(jīng)細(xì)胞如何協(xié)調(diào)工作、執(zhí)行更高大腦機(jī)能”方面帶來重要轉(zhuǎn)變，而且從理論高度解釋了為何人們會不迷路。

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)胞遵循著一些嚴(yán)格的數(shù)學(xué)公式在運(yùn)行，這些數(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(dú)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，都有著相同倍數(shù)的關(guān)聯(lián)。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。

另一方面，在小鼠大腦中，那些對應(yīng)盒子邊界不同位置的網(wǎng)格細(xì)胞無規(guī)則地散布在整個內(nèi)嗅皮層結(jié)構(gòu)之中。如果這樣的結(jié)構(gòu)也存在于人的大腦之中，就會在人們無意識的情況下發(fā)揮導(dǎo)航功能，因?yàn)榇竽X中的網(wǎng)格細(xì)胞會在人們經(jīng)過任何地方時自動記錄所處的位置。

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?yàn)閿?shù)學(xué)家發(fā)現(xiàn)，六邊形是借助最小網(wǎng)格數(shù)量形成最高空間分辨率的最優(yōu)化圖形方案。

有了大腦中的位置細(xì)胞和網(wǎng)格細(xì)胞，無論人們是在旅游探險，還是在大街上行走，都會確保不迷失方向，因?yàn)榇竽X中已經(jīng)有了地圖。沒有這些定位系統(tǒng)細(xì)胞，人們就很難生存。

當(dāng)然，大腦定位系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)還有其他意義。奧基夫發(fā)現(xiàn)位置細(xì)胞為人類的認(rèn)知帶來了革命，而莫澤夫婦發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格細(xì)胞不僅有助于人們了解記憶產(chǎn)生的過程，解釋人們經(jīng)常依據(jù)地點(diǎn)回憶起事件的現(xiàn)象，而且還能依靠這一發(fā)現(xiàn)提供防治阿爾茨海默氏癥（老年癡呆癥）的線索。