發現大腦中的GPS

楊先碧

現在開車的人，越來越依賴GPS導航，GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統）的簡稱。在GPS中輸入你想要到達的地方，它就會在相應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”。你認路能力的強弱就和大腦中的GPS有關。

2014年諾貝爾生理學或醫學獎的3名獲獎者就是發現了大腦中GPS的奧秘。

識別位置：從老鼠走迷宮現象中獲得的發現

40多年前（1971年），美國科學家奧基夫曾訓練過一批小鼠走迷宮。他利用一種特別的手術，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胞活躍時放出的電信號，并把這些電信號發送到記錄儀上。

結果，奧基夫發現這些小鼠走到一個有特殊標記的位置時，大腦中的一些細胞十分活躍；而到了下一個有特殊標記的位置時，另外一些細胞變得很活躍。奧基夫認為，小鼠大腦中的這些細胞就是幫助大腦定位的位置細胞。在所有位置細胞的共同努力合作下，小鼠可以記住迷宮內各個有特殊標記的位置，并利用對這些位置的記憶描繪出一張迷宮地圖。由于所有動物的大腦有相似之處，科學家推測人們的大腦里也有位置細胞。奧基夫的進一步研究還發現，小鼠的所有位置細胞都集中在大腦海馬區的某個特殊區域。

網格細胞設置路線

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。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，是什么細胞來幫助大腦處理位置細胞所獲得的信息呢？這個問題迷惑了科學家整整34年。

直到2005年，莫索爾夫婦才發現，大腦中還有另外一種細胞，那就是可以記憶和描繪路線的細胞。莫索爾夫婦的研究套路還是讓小鼠走迷宮。因為迷宮有許多岔口，如果只記住特殊的位置，記不住岔口處要走的正確方向，那就會進入死胡同，就像我們有時會在十字路口迷路一樣。

莫索爾夫婦發現，小鼠經過幾次的嘗試和學習，居然可以判斷出岔路口的正確路線。他們認為，小鼠已經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胞。電極的測試結果也是如此：小鼠在岔路口選擇路線時，大腦活躍的細胞并不在位置細胞所在的海馬區，而是在附近一個叫內嗅皮層的區域。

由于這些細胞活躍時放電的圖樣像網格，莫索爾夫婦沒有像他人期待的那樣稱這些細胞為導航細胞，而是稱它們為網格細胞。進一步的研究還發現，網格細胞不僅可以辨別運動的方向，還可以辨別運動的距離、道路的邊界。也就是說，網格細胞可以讓我們找到一條合理的路線和運動軌跡，不會迷路，也不會越出道路。

思維定勢讓很多科學家白忙乎

為什么從位置細胞的發現，到網格細胞的發現相隔了整整34年？是思維定勢讓科學家經歷了一次又一次的失敗。由于海馬區是公認的主管記憶的區域，在奧基夫在海馬區發現位置細胞后，科學家總是在海馬區忙活，企圖在海馬區再找到識別路線的細胞，結果沒有想到謎底在海馬區之外的內嗅皮層。

如果說位置細胞幫我們描繪一張張地圖，那么網格細胞則幫我們設計一條條路線。如果說位置細胞幫助我們選擇起點、途經點和終點等位置，那么網格細胞則把這些位置串起來，起到導航的作用。兩者合起來，就構成了我們大腦中的定位導航系統。

定位導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、交友等活動，動物也就很難由低級向高級進化，人類也就不會出現在地球上。

不會迷路的超級戰士

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。這是因為他們患上了老年癡呆癥，更為科學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胞和網格細胞在內的識路細胞的作用之后，科學家希望能借此開發出一些增強和改善這些細胞功能的藥物，重啟老年癡呆患者大腦中的GPS，讓他們重新擁有識路的能力。因此，研究大腦中的GPS在醫學上具有實際的用途。

在危機重重的戰場上，如果不能按照正確的路線前進，隨時都可能面臨生命危險。因此，強烈的空間感和識路能力對戰士來說特別重要。科學家希望未來通過基因改造的方法或是藥物刺激的方法，能夠升級健康人大腦中的定位系統，打造出具有極強空間感和特殊識路能力的超級戰士。這些超級戰士能夠隨時發現環境中的異常變化，找到一條能夠有效避免潛在危險的合理路線，順利地完成偵查、爆破、誘敵、殺敵等作戰任務。