發(fā)現(xiàn)大腦中的GPS

楊先碧

現(xiàn)在開車的人，越來越依賴GPS導(dǎo)航，GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡稱。在GPS中輸入你想要到達(dá)的地方，它就會(huì)在相應(yīng)的位置提示你左拐還是右拐，直至把你帶到你想到的地方。

你知道嗎？人的大腦中也有一套“GPS”。你認(rèn)路能力的強(qiáng)弱就和大腦中的GPS有關(guān)。

2014年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的3名獲獎(jiǎng)?wù)呔褪前l(fā)現(xiàn)了大腦中GPS的奧秘。

識(shí)別位置：從老鼠走迷宮現(xiàn)象中獲得的發(fā)現(xiàn)

40多年前（1971年），美國科學(xué)家奧基夫曾訓(xùn)練過一批小鼠走迷宮。他利用一種特別的手術(shù)，在小鼠的大腦里安裝了一些微型電極。這些電極可以記錄大腦細(xì)胞活躍時(shí)放出的電信號(hào)，并把這些電信號(hào)發(fā)送到記錄儀上。

結(jié)果，奧基夫發(fā)現(xiàn)這些小鼠走到一個(gè)有特殊標(biāo)記的位置時(shí)，大腦中的一些細(xì)胞十分活躍；而到了下一個(gè)有特殊標(biāo)記的位置時(shí)，另外一些細(xì)胞變得很活躍。奧基夫認(rèn)為，小鼠大腦中的這些細(xì)胞就是幫助大腦定位的位置細(xì)胞。在所有位置細(xì)胞的共同努力合作下，小鼠可以記住迷宮內(nèi)各個(gè)有特殊標(biāo)記的位置，并利用對(duì)這些位置的記憶描繪出一張迷宮地圖。由于所有動(dòng)物的大腦有相似之處，科學(xué)家推測(cè)人們的大腦里也有位置細(xì)胞。奧基夫的進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)，小鼠的所有位置細(xì)胞都集中在大腦海馬區(qū)的某個(gè)特殊區(qū)域。

網(wǎng)格細(xì)胞設(shè)置路線

然而，光有不同位置所形成地圖還是不夠的。如果大腦只能記住一個(gè)個(gè)不同的位置，我們還是不可能在縱橫交錯(cuò)的道路中找到回家的路。只有把這些位置按照合理的順序連接起來，我們才能找到正確的路線，才不會(huì)走冤枉路或迷路。那么，是什么細(xì)胞來幫助大腦處理位置細(xì)胞所獲得的信息呢？這個(gè)問題迷惑了科學(xué)家整整34年。

直到2005年，莫索爾夫婦才發(fā)現(xiàn)，大腦中還有另外一種細(xì)胞，那就是可以記憶和描繪路線的細(xì)胞。莫索爾夫婦的研究套路還是讓小鼠走迷宮。因?yàn)槊詫m有許多岔口，如果只記住特殊的位置，記不住岔口處要走的正確方向，那就會(huì)進(jìn)入死胡同，就像我們有時(shí)會(huì)在十字路口迷路一樣。

莫索爾夫婦發(fā)現(xiàn)，小鼠經(jīng)過幾次的嘗試和學(xué)習(xí)，居然可以判斷出岔路口的正確路線。他們認(rèn)為，小鼠已經(jīng)具備了在大腦中描繪正確路線圖的能力。顯然，這種能力并不來源于位置細(xì)胞。電極的測(cè)試結(jié)果也是如此：小鼠在岔路口選擇路線時(shí)，大腦活躍的細(xì)胞并不在位置細(xì)胞所在的海馬區(qū)，而是在附近一個(gè)叫內(nèi)嗅皮層的區(qū)域。

由于這些細(xì)胞活躍時(shí)放電的圖樣像網(wǎng)格，莫索爾夫婦沒有像他人期待的那樣稱這些細(xì)胞為導(dǎo)航細(xì)胞，而是稱它們?yōu)榫W(wǎng)格細(xì)胞。進(jìn)一步的研究還發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格細(xì)胞不僅可以辨別運(yùn)動(dòng)的方向，還可以辨別運(yùn)動(dòng)的距離、道路的邊界。也就是說，網(wǎng)格細(xì)胞可以讓我們找到一條合理的路線和運(yùn)動(dòng)軌跡，不會(huì)迷路，也不會(huì)越出道路。

思維定勢(shì)讓很多科學(xué)家白忙乎

為什么從位置細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)，到網(wǎng)格細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)相隔了整整34年？是思維定勢(shì)讓科學(xué)家經(jīng)歷了一次又一次的失敗。由于海馬區(qū)是公認(rèn)的主管記憶的區(qū)域，在奧基夫在海馬區(qū)發(fā)現(xiàn)位置細(xì)胞后，科學(xué)家總是在海馬區(qū)忙活，企圖在海馬區(qū)再找到識(shí)別路線的細(xì)胞，結(jié)果沒有想到謎底在海馬區(qū)之外的內(nèi)嗅皮層。

如果說位置細(xì)胞幫我們描繪一張張地圖，那么網(wǎng)格細(xì)胞則幫我們?cè)O(shè)計(jì)一條條路線。如果說位置細(xì)胞幫助我們選擇起點(diǎn)、途經(jīng)點(diǎn)和終點(diǎn)等位置，那么網(wǎng)格細(xì)胞則把這些位置串起來，起到導(dǎo)航的作用。兩者合起來，就構(gòu)成了我們大腦中的定位導(dǎo)航系統(tǒng)。

定位導(dǎo)航能力是動(dòng)物大腦的基本能力之一。如果不具備這樣的能力，動(dòng)物就不能在自然界中主動(dòng)地參與覓食、交友等活動(dòng)，動(dòng)物也就很難由低級(jí)向高級(jí)進(jìn)化，人類也就不會(huì)出現(xiàn)在地球上。

不會(huì)迷路的超級(jí)戰(zhàn)士

俗話說：老馬識(shí)途。然而，老人們并不一定識(shí)途。有的爺爺奶奶到了一定年歲后特別容易迷路，他們一出門就找不到回家的路了。這是因?yàn)樗麄兓忌狭死夏臧V呆癥，更為科學(xué)的說法是阿爾茨海默病。得了這種病就如同汽車的GPS失靈了。

在弄清楚包括位置細(xì)胞和網(wǎng)格細(xì)胞在內(nèi)的識(shí)路細(xì)胞的作用之后，科學(xué)家希望能借此開發(fā)出一些增強(qiáng)和改善這些細(xì)胞功能的藥物，重啟老年癡呆患者大腦中的GPS，讓他們重新?lián)碛凶R(shí)路的能力。因此，研究大腦中的GPS在醫(yī)學(xué)上具有實(shí)際的用途。

在危機(jī)重重的戰(zhàn)場(chǎng)上，如果不能按照正確的路線前進(jìn)，隨時(shí)都可能面臨生命危險(xiǎn)。因此，強(qiáng)烈的空間感和識(shí)路能力對(duì)戰(zhàn)士來說特別重要。科學(xué)家希望未來通過基因改造的方法或是藥物刺激的方法，能夠升級(jí)健康人大腦中的定位系統(tǒng)，打造出具有極強(qiáng)空間感和特殊識(shí)路能力的超級(jí)戰(zhàn)士。這些超級(jí)戰(zhàn)士能夠隨時(shí)發(fā)現(xiàn)環(huán)境中的異常變化，找到一條能夠有效避免潛在危險(xiǎn)的合理路線，順利地完成偵查、爆破、誘敵、殺敵等作戰(zhàn)任務(wù)。