大腦中的GPS

楊先碧

我們?nèi)绾沃雷约荷硖幒畏?？我們?nèi)绾握业交丶业穆?？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，我們的大腦中有一個“GPS”定位和導(dǎo)航系統(tǒng)。這一發(fā)現(xiàn)獲得了2014年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

在日常生活中我們注意到，有的人認(rèn)路能力非常強(qiáng)，有的人卻是典型的“路盲”。無論認(rèn)路能力差異有多大，但大多數(shù)人都能夠認(rèn)識回家的路。那么，我們是怎么知道自己在哪里？我們又如何從一個地方到另一個地方？我們?nèi)绾卧诖竽X中儲存信息以便于下一次能夠找到相同的路徑？到底是什么在指引我們呢？最新的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，人的大腦中有一個GPS（定位導(dǎo)航系統(tǒng)）。2014年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎就是頒給了發(fā)現(xiàn)了大腦中GPS奧秘的三位科學(xué)家：美國科學(xué)家約翰·奧基夫和挪威科學(xué)家莫索爾夫婦布里特和愛德華。前者是發(fā)現(xiàn)了讓人們知道自己身在何處的“位置細(xì)胞”，后者則是發(fā)現(xiàn)了幫助人們記憶和規(guī)劃行走路線的“網(wǎng)格細(xì)胞”。如果這兩種細(xì)胞都失靈的話，我們就真的找不到回家的路了。

識別位置

小白鼠因?yàn)轶w積小、食量小，養(yǎng)起來比較方便，而且很聰明，經(jīng)過訓(xùn)練后可以完成一些獨(dú)特的任務(wù)，因而受到科學(xué)家們的青睞。科學(xué)家常常以飼養(yǎng)的小白鼠作為研究對象，讓小鼠走迷宮就是一種常見的科學(xué)研究方法。

1971年，亦即43年前，美國科學(xué)家奧基夫就開始訓(xùn)練小鼠走迷宮。他還采用一種特別的手術(shù)，在小鼠的大腦里安裝了一些微型電極。動物在進(jìn)行一些日?；顒訒r(shí)，大腦中的神經(jīng)細(xì)胞會放電；參與的活動不同，放電的細(xì)胞就不同。大腦細(xì)胞產(chǎn)生的這些電信號也稱“神經(jīng)信號”，是大腦指揮身體其他部位所發(fā)出的信號。奧基夫在小鼠大腦中安裝的電極，可以記錄大腦細(xì)胞活躍時(shí)放出的電信號，并把這些電信號發(fā)送到記錄儀上。

結(jié)果，奧基夫的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這些小鼠走到一個有特殊標(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)各個有特殊標(biāo)記的位置，并利用對這些位置的記憶描繪出一張迷宮“地圖”。由于小鼠的大腦和我們?nèi)祟惖拇竽X有相似之處，因此，科學(xué)家推測：人的大腦里也有“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)”的某個特殊區(qū)域。海馬區(qū)在外形上有些像大海中的海馬，是大腦中的重要區(qū)域，負(fù)責(zé)學(xué)習(xí)和記憶。記憶有很多種，不同的細(xì)胞負(fù)責(zé)不同的記憶，位置細(xì)胞負(fù)責(zé)的就是我們對周圍環(huán)境的空間記憶。

尋找路線

然而，光有不同位置所形成的“地圖”還是不夠的，如果大腦只能記住一個個不同的位置，我們還是不可能在縱橫交錯的道路中找到回家的路。也就是說，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？這個問題迷惑了科學(xué)家整整34年。

直到2005年，挪威科學(xué)家莫索爾夫婦才發(fā)現(xiàn)，大腦中的GPS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。莫索爾夫婦的研究方法還是讓小鼠走迷宮。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，那就可能進(jìn)入“死胡同”，就像我們有時(shí)會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。因此他們認(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)椤熬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)動的方向，還可以辨別運(yùn)動的距離、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)動軌跡，從而不會迷路，也不會越出道路。

為什么從“位置細(xì)胞”的發(fā)現(xiàn)，再到“網(wǎng)格細(xì)胞”的發(fā)現(xiàn)相隔了整整34年？這就是思維定勢讓科學(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，當(dāng)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)忙乎，企圖在海馬區(qū)再找到識別路線的細(xì)胞，結(jié)果沒有想到謎底是在海馬區(qū)之外的“內(nèi)嗅皮層”。

定位導(dǎo)航系統(tǒng)

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”則幫我們設(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)航能力是動物大腦的基本能力之一。如果不具備這樣的能力，動物就不能在自然界中主動地參與覓食、求偶和育幼等活動，動物也就很難由低級向高級進(jìn)化，人類也就不會出現(xiàn)在地球上。

俗話說：老馬識途。然而，老人們并不一定識途。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)樗麄兓忌狭恕袄夏臧V呆癥”，更為科學(xué)的說法是“阿爾茨海默癥”。得了這種病就如同汽車的GPS系統(tǒng)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路的能力。因此，研究大腦中的GPS系統(tǒng)不僅在醫(yī)學(xué)上具有理論價(jià)值，更具有非常實(shí)際的用途。

在危機(jī)重重的戰(zhàn)場上，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)烈的空間感和識路能力對戰(zhàn)士來說特別重要。科學(xué)家希望未來不是通過基因改造的方法，而是用藥物刺激的方法，能夠升級健康人大腦中的定位系統(tǒng)，打造出具有極強(qiáng)空間感和特殊識路能力的超級戰(zhàn)士。這些超級戰(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)。