2014年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)：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€(gè)地方去到另一個(gè)地方？為何當(dāng)我們?cè)谙麓沃貜?fù)同樣的路線時(shí)能夠迅速查找到這些信息，我們?cè)诖竽X中是如何對(duì)它們進(jìn)行存儲(chǔ)的？今年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)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(shí)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(gè)組成部分。他在大腦一個(gè)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(shí)驗(yàn)小鼠在房間內(nèi)的某一特定位置時(shí)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(shí)，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(duì)所在房間的地圖。

30多年后，在2005年，梅·布萊特·莫索爾和愛(ài)德華·莫索爾夫婦發(fā)現(xiàn)大腦定位機(jī)制的另外一項(xiàng)關(guān)鍵組成部分。他們識(shí)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(ài)德華·莫索爾夫婦的發(fā)現(xiàn)解答了一個(gè)困擾哲學(xué)家和科學(xué)家們長(zhǎng)達(dá)數(shù)個(gè)世紀(jì)的謎團(tuán)—大腦究竟如何創(chuàng)建一個(gè)有關(guān)自身周?chē)臻g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(duì)位置的感知以及判斷方向的能力是我們生存的基礎(chǔ)。對(duì)位置的感知構(gòu)成我們?cè)诃h(huán)境中對(duì)自身所處地點(diǎn)的知覺(jué)。而在行進(jìn)的過(guò)程中，我們將基于運(yùn)動(dòng)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(lái)。

有關(guān)位置與路徑尋找的問(wèn)題長(zhǎng)期以來(lái)困擾著哲學(xué)家和科學(xué)家們。200多年前，德國(guó)哲學(xué)家康德提出我們擁有一些所謂“先驗(yàn)知識(shí)”，它們獨(dú)立于人的經(jīng)驗(yàn)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(kāi)始用試驗(yàn)方法探究這些問(wèn)題的答案。當(dāng)愛(ài)德華·莫澤觀察小鼠在迷宮中的前行方式時(shí)，他發(fā)現(xiàn)小鼠可以學(xué)會(huì)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(wèn)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(wèn)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(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行研究。他對(duì)在房間內(nèi)自由跑動(dòng)的小鼠大腦狀況進(jìn)行觀察，在記錄小鼠大腦內(nèi)一個(gè)被稱作“海馬體”區(qū)域單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞信號(hào)的過(guò)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(shí)，一部分神經(jīng)細(xì)胞會(huì)被激活（圖1）。他確認(rèn)這些“位置細(xì)胞”并非僅僅在簡(jiǎn)單的接收視覺(jué)信息輸入，而是在構(gòu)建一張關(guān)于周?chē)h(huán)境的內(nèi)部地圖。約翰·奧基夫認(rèn)為海馬體會(huì)產(chǎn)生大量的地圖，這些地圖在生物所處不同環(huán)境中時(shí)，由大量神經(jīng)細(xì)胞共同作用下形成。因此，生物體對(duì)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(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)。

莫索爾夫婦更進(jìn)一步認(rèn)為，他們?cè)谂R近海馬體的大腦另一個(gè)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(guò)排列為六邊形的多個(gè)地點(diǎn)時(shí)，其大腦中的部分神經(jīng)細(xì)胞發(fā)生激活（上頁(yè)圖2）。這些細(xì)胞都會(huì)對(duì)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(gè)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(duì)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(gè)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(duì)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(lèi)似的位置與網(wǎng)格神經(jīng)細(xì)胞同樣存在于人類(lèi)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(huì)在患病過(guò)程的早期遭受影響，這樣的病人常常會(huì)發(fā)生迷路，并且難以識(shí)別周?chē)h(huán)境。對(duì)于大腦定位系統(tǒng)機(jī)制的了解或許將在未來(lái)幫助這類(lèi)患者改善由于空間記憶受損而造成的困擾。對(duì)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(shí)，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(kāi)了理解其他認(rèn)知過(guò)程的窗口，如記憶、思維以及進(jìn)行規(guī)劃的能力。