2014年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎：在大腦中內(nèi)置的“GPS”

我們?nèi)绾沃雷约旱奈恢?？我們?nèi)绾螐囊粋€地方去到另一個地方？為何當(dāng)我們在下次重復(fù)同樣的路線時能夠迅速查找到這些信息，我們在大腦中是如何對它們進(jìn)行存儲的？今年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎獲得者們發(fā)現(xiàn)了大腦內(nèi)的定位系統(tǒng)，大腦中一種內(nèi)置的“GPS”，它讓我們能夠在空間中實現(xiàn)定位，揭示了高等認(rèn)知能力的細(xì)胞層面機(jī)制。

1971年，約翰·奧基夫發(fā)現(xiàn)了構(gòu)成這一體系的第一個組成部分。他在大腦一個名叫“海馬體”的區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一種特殊的神經(jīng)細(xì)胞，當(dāng)實驗小鼠在房間內(nèi)的某一特定位置時其中一部分這樣的細(xì)胞總是顯示激活狀態(tài)。而當(dāng)小鼠在房間內(nèi)的其他位置時，另外一些細(xì)胞則顯示激活狀態(tài)。奧基夫認(rèn)為這些是“位置細(xì)胞”，它們構(gòu)成了小鼠對所在房間的地圖。

30多年后，在2005年，梅·布萊特·莫索爾和愛德華·莫索爾夫婦發(fā)現(xiàn)大腦定位機(jī)制的另外一項關(guān)鍵組成部分。他們識別出另外一種神經(jīng)細(xì)胞，他們將其稱之為“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。他們隨后進(jìn)行的研究揭示了位置細(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。

約翰·奧基夫以及梅·布萊特·莫索爾和愛德華·莫索爾夫婦的發(fā)現(xiàn)解答了一個困擾哲學(xué)家和科學(xué)家們長達(dá)數(shù)個世紀(jì)的謎團(tuán)—大腦究竟如何創(chuàng)建一個有關(guān)自身周圍空間位置的地圖？我們又究竟如何能夠在復(fù)雜的環(huán)境中找到方向？

對位置的感知以及判斷方向的能力是我們生存的基礎(chǔ)。對位置的感知構(gòu)成我們在環(huán)境中對自身所處地點(diǎn)的知覺。而在行進(jìn)的過程中，我們將基于運(yùn)動狀態(tài)給出的距離判斷與有關(guān)先前位置的信息結(jié)合了起來。

有關(guān)位置與路徑尋找的問題長期以來困擾著哲學(xué)家和科學(xué)家們。200多年前，德國哲學(xué)家康德提出我們擁有一些所謂“先驗知識”，它們獨(dú)立于人的經(jīng)驗而存在。他將空間的概念視為思維的內(nèi)在屬性之一，這是我們感知世界的唯一的方式。隨著20世紀(jì)中葉行為心理學(xué)的發(fā)展，人們開始用試驗方法探究這些問題的答案。當(dāng)愛德華·莫澤觀察小鼠在迷宮中的前行方式時，他發(fā)現(xiàn)小鼠可以學(xué)會如何判斷路徑，并據(jù)此提出了“認(rèn)知地圖”的概念，這種認(rèn)知地圖形成于大腦中，讓它們得以找到前行的路徑。但問題依然存在—這種地圖究竟如何在大腦內(nèi)形成？

約翰·奧基夫被有關(guān)大腦如何控制行為的問題深深吸引。20世紀(jì)60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。他對在房間內(nèi)自由跑動的小鼠大腦狀況進(jìn)行觀察，在記錄小鼠大腦內(nèi)一個被稱作“海馬體”區(qū)域單個神經(jīng)細(xì)胞信號的過程中，奧基夫注意到當(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（圖1）。他確認(rèn)這些“位置細(xì)胞”并非僅僅在簡單的接收視覺信息輸入，而是在構(gòu)建一張關(guān)于周圍環(huán)境的內(nèi)部地圖。約翰·奧基夫認(rèn)為海馬體會產(chǎn)生大量的地圖，這些地圖在生物所處不同環(huán)境中時，由大量神經(jīng)細(xì)胞共同作用下形成。因此，生物體對環(huán)境的記憶，可以用海馬體中神經(jīng)細(xì)胞特定激活組合的方式來進(jìn)行存儲。

莫索爾夫婦更進(jìn)一步認(rèn)為，他們在臨近海馬體的大腦另一個名叫“內(nèi)嗅皮層”的區(qū)域有了意外發(fā)現(xiàn)。他們注意到，當(dāng)小鼠經(jīng)過排列為六邊形的多個地點(diǎn)時，其大腦中的部分神經(jīng)細(xì)胞發(fā)生激活（上頁圖2）。這些細(xì)胞都會對特定的空間模式做出反應(yīng)，它們整體上構(gòu)成所謂“網(wǎng)格細(xì)胞”。這些細(xì)胞組成一個坐標(biāo)系統(tǒng)，從而讓空間導(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)胞都與位于海馬體內(nèi)的位置細(xì)胞相互協(xié)調(diào)，構(gòu)成一條完整的回路。這一回路系統(tǒng)構(gòu)成了一個復(fù)雜而精細(xì)的定位體系，它是我們大腦的“內(nèi)置GPS”（圖3）。

近期采用大腦成像技術(shù)進(jìn)行的研究，以及對接受神經(jīng)外科手術(shù)的病患進(jìn)行的研究結(jié)果，已經(jīng)提供了確鑿的證據(jù)，證明類似的位置與網(wǎng)格神經(jīng)細(xì)胞同樣存在于人類的大腦之中。患有阿爾茨海默綜合癥的病患，他們大腦的海馬體以及內(nèi)嗅皮層區(qū)域常常會在患病過程的早期遭受影響，這樣的病人常常會發(fā)生迷路，并且難以識別周圍環(huán)境。對于大腦定位系統(tǒng)機(jī)制的了解或許將在未來幫助這類患者改善由于空間記憶受損而造成的困擾。對大腦定位系統(tǒng)機(jī)制的發(fā)現(xiàn)顛覆了我們此前的認(rèn)識，顯示了特定的細(xì)胞群相互協(xié)同工作如何能夠達(dá)成更加高等的認(rèn)知功能。這一成果打開了理解其他認(rèn)知過程的窗口，如記憶、思維以及進(jìn)行規(guī)劃的能力。