大腦細(xì)胞與城市規(guī)劃有什么聯(lián)系？

天野

在鋼筋混凝土的城市叢林里，我們大多數(shù)人會(huì)不時(shí)迷路。盡管如此，我們的大腦在“導(dǎo)航”（尋找正確方向）方面確實(shí)非常了不起。即使我們?cè)谌粘Ｉ舷掳嗤局凶呱窳?，大腦仍然能夠把我們安全地送達(dá)目的地——科學(xué)家認(rèn)為，這很大程度上要?dú)w功于我們“海馬體”（大腦中與記憶有關(guān)的一部分）中的“位置細(xì)胞”。

“位置細(xì)胞”是2018年公布的一個(gè)生物物理學(xué)新名詞。它是大腦定位系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，會(huì)對(duì)環(huán)境中的特定位置有反應(yīng)，并在你處于該位置時(shí)變得相對(duì)活躍。它最早在老鼠的“海馬體”中被發(fā)現(xiàn)，后來在嚙齒動(dòng)物、蝙蝠、猴子和人類的大腦中都發(fā)現(xiàn)了它。

什么是位置野

研究人員做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，將老鼠放在一個(gè)空曠的方形房間里，并觀察它的跑動(dòng)（老鼠只能沿著地板面活動(dòng)，因?yàn)闆]有任何可供攀爬的東西）。他們對(duì)老鼠的位置細(xì)胞進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，并記錄下它變活躍時(shí)老鼠所處的位置。這樣，他們最終得出了每個(gè)位置細(xì)胞對(duì)應(yīng)的響應(yīng)位置，這些位置后來被稱為位置細(xì)胞的“位置野”。在該實(shí)驗(yàn)中，老鼠的位置野通常是圓形的，直徑大約是38～64厘米。

位置野是動(dòng)物所處環(huán)境中的一小塊區(qū)域，當(dāng)動(dòng)物位于該區(qū)域時(shí)，就激活了動(dòng)物“海馬體”中的某個(gè)位置細(xì)胞。不同的位置細(xì)胞可能有不同的位置野，當(dāng)動(dòng)物到一個(gè)新環(huán)境時(shí)，位置細(xì)胞的位置野也立即更新。想一想，同樣是黑燈瞎火的情況，在熟悉的家中是不是也比在陌生的環(huán)境中更容易識(shí)別方向？這是因?yàn)槲覀兊奈恢眉?xì)胞已經(jīng)形成了家里各種路線和對(duì)象的“位置野”，而在陌生環(huán)境中這部分內(nèi)容是完全嶄新的。

不過，在上述實(shí)驗(yàn)中，老鼠所處的環(huán)境是完全空曠的、平面的（2D），這種環(huán)境它在實(shí)驗(yàn)室之外幾乎不會(huì)遇到。真實(shí)的環(huán)境比實(shí)驗(yàn)環(huán)境要復(fù)雜得多——最大的不同是真實(shí)環(huán)境很多時(shí)候是立體的（3D）。

那么，如果在更加復(fù)雜（3D）的環(huán)境中，位置細(xì)胞如何反映這個(gè)環(huán)境中的位置呢？

水平移動(dòng)更易感知

為了回答這個(gè)問題，英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)家格里夫斯設(shè)計(jì)了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)——“老鼠導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)”。他建造了一個(gè)3D格子架，并將老鼠置于其中：老鼠可以任意爬來爬去，可以沿著地板面平行移動(dòng)，也可以攀爬架子上下垂直移動(dòng)。

格里夫斯想知道，在這種環(huán)境下，老鼠位置細(xì)胞的位置野是什么樣的。他首先提出了兩種猜測(cè)。

第一種猜測(cè)是，位置野可能是圓形的，因此一個(gè)位置細(xì)胞將只對(duì)平行于地面的位置做出響應(yīng)，而不管老鼠向上爬了多少格。第二種猜測(cè)是，位置野是球形的，因此位置細(xì)胞會(huì)把高度考慮進(jìn)去，并且僅在老鼠位于地面上特定位置且處于特定高度時(shí)位置細(xì)胞才響應(yīng)（這個(gè)假設(shè)源自對(duì)埃及果蝠的研究，該果蝠的位置細(xì)胞具有這種形狀的位置野）。

實(shí)驗(yàn)過程中，格里夫斯發(fā)現(xiàn)，老鼠的位置細(xì)胞大致符合第二種猜測(cè)：它的位置野呈細(xì)長(zhǎng)球體的形狀，例如橄欖球。

一般而言，位置野在垂直方向上比在水平方向上更寬長(zhǎng)。這很重要，因?yàn)檫@意味著位置細(xì)胞在垂直方向上的準(zhǔn)確性較低。換句話說，位置細(xì)胞能更精確地知道老鼠在地面上（水平方向）的位置，而不是在空中（垂直方向）的高度。

一個(gè)原因可能是因?yàn)槔鲜蟾鼉A向于水平移動(dòng)而不是垂直移動(dòng)。它當(dāng)然可以上下爬，但它往往會(huì)花費(fèi)大部分時(shí)間沿著地板行走。它的位置細(xì)胞可能只是沒有針對(duì)垂直移動(dòng)進(jìn)行適時(shí)優(yōu)化。

另一個(gè)原因可能是，老鼠在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)更加困難（相比橫向移動(dòng)，縱向移動(dòng)需要克服重力），這使它們更難以衡量自己“走”了多遠(yuǎn)。

為了更好地活動(dòng)

這項(xiàng)研究可以幫助我們了解人腦如何進(jìn)行導(dǎo)航，因?yàn)槿说摹昂ｑR體”是導(dǎo)航的關(guān)鍵，而它與老鼠的類似。就像老鼠一樣，哺乳動(dòng)物通常主要在2D環(huán)境中行走。但是，隨著社會(huì)文明的發(fā)展，我們?nèi)祟惖沫h(huán)境變得越來越3D——典型的代表有高樓大廈、橋梁和一些地下的結(jié)構(gòu)等。

這些在老鼠身上的發(fā)現(xiàn)表明，我們的大腦已經(jīng)被調(diào)整到了我們習(xí)慣的導(dǎo)航方向：平行于地面。由于我們的世界大部分地區(qū)都像建筑中的地板一樣，平坦地?cái)[在我們面前。即使我們駕駛飛機(jī)或者潛艇，我們的移動(dòng)仍然經(jīng)常平行于地面。

然而情況并不總是這樣。在未來的外太空，人類將面臨真正的3D導(dǎo)航。由于沒有重力，就不會(huì)有一個(gè)更難移動(dòng)的方向，例如，對(duì)實(shí)驗(yàn)室中的老鼠來說，這個(gè)方向就是往3D格子架的垂直軸上爬。到目前為止，我們還不知道在沒有重力的情況下我們的位置細(xì)胞會(huì)做什么，更重要的是，我們是否能夠像在2D世界中一樣高效地導(dǎo)航？

無論是在地球上還是在外太空，環(huán)境的整個(gè)架構(gòu)最終都會(huì)對(duì)我們的導(dǎo)航能力產(chǎn)生重大影響。如果周圍有很多地標(biāo)，那么我們就能夠知道自己身處哪里，我們將能夠更好地導(dǎo)航;在一個(gè)不對(duì)稱的空間里，我們也能夠更容易定位自己;如果我們從不同的角度體驗(yàn)了某個(gè)環(huán)境（環(huán)境的熟悉度得到提高），那么在這個(gè)環(huán)境中我們也能很好地辨別方向。

知道我們是如何導(dǎo)航的——尤其是在復(fù)雜的環(huán)境中，對(duì)建筑和城市規(guī)劃領(lǐng)域具有重要的意義。研究導(dǎo)航的目的，不僅在于了解我們的大腦如何工作，還在于利用這些信息將我們周圍的世界規(guī)劃得更適合在其中活動(dòng)。

神經(jīng)科學(xué)與城市規(guī)劃之間的這種協(xié)作，誕生了一個(gè)新興的產(chǎn)物——“有意識(shí)的城市”，一個(gè)為考慮人類的需求和行為而構(gòu)建的環(huán)境。

總之，我們未來的城市越復(fù)雜，神經(jīng)科學(xué)研究的指導(dǎo)越重要。