師徒三人攻克“大腦定位系統細胞”
——2014年諾貝爾生理學或醫學獎側記

文/譯 石 毅

師徒三人攻克“大腦定位系統細胞”
——2014年諾貝爾生理學或醫學獎側記

文/譯 石 毅

2014年諾貝爾生理學或醫學獎被授予約翰·奧基夫（John O Keefe）、邁-布里特·莫澤（May-Britt Moser）和愛德華·莫澤（Edvard Moser）三人。他們發現了大腦里的“定位系統”，即“GPS”系統。

我們是怎么知道我們身在何方的？我們怎么找到從一個地方到另一個地方的路線？我們是怎么把這些信息儲存下來，讓我們重返故地的時候能立刻找到路？

2014年諾貝爾生理學或醫學獎的得獎者發現了大腦里的“定位系統”，一臺內置的GPS，使得我們能在空間中定位自己身在何處，這表明這種高級認知功能也有細胞級別的基礎。

1971年，約翰·奧基夫發現了這個定位系統的第一個成分。他發現，大腦海馬體里有一種神經細胞，每當大鼠身處屋子的某個特定地點的時候，這種細胞總是會被激活。其他神經細胞則在大鼠身處其他地方的時候被激活。奧基夫的結論是，這些“位置細胞”（place cells）組成了屋子的地圖。

30多年后，邁-布里特·莫澤和愛德華·莫澤發現了大腦定位系統的另一個關鍵成分。他們發現了另一種神經細胞，命名為“網格細胞”（grid cells），它們組成了一個坐標系，允許生物進行精確的定位和尋路。他們的后續研究表明，地點細胞和網格細胞一起使得定位和導航成為可能。

約翰·奧基夫，邁-布里特·莫澤和愛德華·莫澤的研究回答了困擾哲學家和科學家數百年的問題——大腦如何給周圍的空間創造地圖，我們如何在復雜的環境中尋找路線。

我們如何感知我們所在的環境？

人存于世，位置感和導航能力是不可或缺的。位置感使我們能夠感知自己在環境中所處的位置。在導航時，我們的位置感會與基于運動和對先前位置認知所形成的距離感相互聯系起來。

關于地點和導航的問題困擾了哲學家和科學家許久許久。200多年前，德國哲學家康德認為一些精神能力是獨立于經驗的先天知識。他認為空間概念是意識中既有的原則，人們會通過，也必須通過這些原則感知世界。

到20世紀中葉，行為科學的出現使得這些問題得以通過實驗手段進行解答。當愛德華·托爾曼（Edward Tolman）觀察迷宮中大鼠的運動時，他發現它們能夠學習如何導航，并提出它們腦中形成了一副“認知地圖”，使它們找到自己要去的路。但問題并未完全解決：這個“地圖”在大腦中的表征是什么？

約翰·奧基夫以及空間位置

在20世紀60年代晚期，約翰·奧基夫對于大腦如何控制行為和決策這一問題十分著迷，并常試圖用神經生理學的方式來解決這一問題。當他記錄在屋內自由跑動的大鼠的大腦海馬體內單個神經細胞的信號時，奧基夫發現，當大鼠經過特定位置時，某些神經細胞會被激活。他發現這些“位置細胞”不僅僅接受視覺信號輸入，而且還會在腦中繪制周圍環境的地圖。奧基夫總結道，通過在不同環境中被激活的不同的位置細胞，海馬體能生成很多地圖。因此，關于環境的記憶能以位置細胞活性的特定組合形式被存在海馬體中。

邁-布里特·莫澤和愛德華·莫澤找到了定位系統

邁-布里特·莫澤和愛德華·莫澤在繪制移動中的大鼠的海馬體連接時，在附近的內嗅皮層中發現了一種讓人驚異的活動模式。當小鼠通過六角網格中的某些位置時，內嗅皮層中的某些固定的細胞會被激活。每個細胞都對應著某個特定的空間格局，這些“網格細胞”共同建立出一個可以進行空間導航的坐標系統。它們和內嗅皮層中其他負責辨識頭部方向和房間邊界的細胞一起，與海馬體中的位置細胞共同組成了神經回路。這個回路系統在大腦中建立了一套綜合定位系統，一個內置的GPS。

人類大腦里的“地圖”

根據最近的腦成像技術調查，以及對接受神經外科手術患者的研究都顯示，位置細胞同樣存在于人體中。在早期階段阿爾茲海默氏疾病的早期階段，患者的海馬體和內嗅皮質經常會受到影響，以致這些患者經常無法辨別周邊環境并且迷路。了解大腦的位置系統或許可以因此幫助我們了解這種疾病如何對患者的空間記憶喪失造成影響。

這一對大腦位置系統的發現代表了人們進一步認識大腦特化細胞如何協同合作，并執行更高水平的認知功能。它為人們理解認知過程，比如記憶、思維與計劃開辟了新的途徑。

對人類相關性的藥品

殘疾的腦部疾病是最常見的原因，盡管對人們的生活產生重大影響，但沒有有效的方法來預防或治療這些疾病。情景記憶是影響一些大腦疾病的，包括老年癡呆癥和阿爾茲海默氏癥。更好的理解空間記憶的神經機制是非常重要的，位置細胞和網格細胞的發現是重大飛躍。研究表明，阿爾茲海默病小鼠模型退化的字段與動物空間記憶的惡化（Cacucci et al.，2008）。沒有直接的翻譯結果臨床研究或實踐。然而，海馬結構的第一個結構是影響阿爾茲海默氏癥，大腦的知識導航系統可能有助于理解這個疾病患者的認知能力下降。

不為人知的師徒檔和夫妻檔

莫澤夫婦是一對在北極研究神經科學的傳奇學者。邁-布里特·莫澤和愛德華·莫澤現年分別為51歲和52歲，是歷史上第四對共同獲得諾貝爾獎的夫婦，也是醫學獎領域第二對獲獎夫婦。莫澤夫婦分別在挪威的兩座不同的北極島嶼上長大，都出身于非學術家庭，然后兩人都去了同一所學校，但兩人直到1983年之前都互不認識。當時兩人都在奧斯陸大學求學，又都開始意識到自己的真正激情在于對神經科學以及大腦科學方面的研究上。然后突然之間，迸出火花。帶著年輕人之間的羅曼蒂克故事，還有在學術上的好奇心，他們開始了一項使命——找出大腦控制行為的背后機制。

1984年，當時還是本科學生的兩人登上了非洲坦桑尼亞境內的乞力馬扎羅山山頂，并在這里交換了訂婚戒指。但因為山頂的溫度實在太冷，他們兩人不得不用最快的速度完成戒指交換，然后趕緊戴上手套。

在博士答辯完成之前，他們便雙雙收到了約翰·奧基夫教授位于倫敦的實驗室發來的博士后研究職位邀請。

1970年代，奧基夫教授在小鼠大腦的海馬體區域發現了一種被稱作“位置細胞”的特殊神經細胞。這一研究領域非常熱門，而莫譯夫婦一頭扎了進去。他們已經共事超過30年，結婚超過28年，但時間并沒有讓他們對大腦科學的研究興趣有絲毫減弱。而約翰·奧基夫的妻子艾琳·奧基夫，是一名公共衛生學院的教授。在紐約市立大學哲學課上的一次相遇注定了他們44年美好的婚姻生活。平常不做實驗時，瘋狂熱愛籃球的約翰甚至夢想能與NBA球員一拼高下。閑暇的周末，夫妻倆也總是帶著兩個兒子在英國南部的沙灘和山尖閑逛，順便聊聊哲學。

（來源：nobelprize.org）