大腦空間感研究50年

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人類幾乎所有的意識經(jīng)驗都與空間感相關聯(lián)：享用美食的餐廳、每天的回家路、收納茶杯的地方、哪張椅子最舒適等等。空間感告知我們當下身處何處，我們曾去過何地，我們打算去往何方。腦如何產(chǎn)生這種感覺，如何形成記憶或引路導航多年來仍然是個未解之謎。1971年約翰?奧基夫（John O’Keefe）和喬納森?陀思妥夫斯基（Jonathan Dostrovsky）在《腦研究》（Brain Research）雜志上發(fā)表了標志性的研究論文，首次一窺哺乳類腦的神經(jīng)元如何產(chǎn)生空間感。

奧基夫和陀思妥夫斯基在這篇簡短的通信文章中介紹道，他們利用數(shù)年前發(fā)明的微電極記錄大鼠腦中的電信號，即動作電位，他們讓動物探索架高的平臺，微電極則置于腦表面之下一個被稱作海馬區(qū)的區(qū)域，選擇這一區(qū)域基于過去的經(jīng)驗：當人或是嚙齒類動物的海馬區(qū)被損毀，記憶和導航能力就會受損。實驗中的動物也不進行特定的任務，它們自由進食、梳毛、飲水、睡眠，自然地在區(qū)域內(nèi)活動。研究者發(fā)現(xiàn)了引人注目的結(jié)果：海馬區(qū)的部分神經(jīng)元活動和動物在物理空間中的位置緊密相關。大鼠活動于大部分區(qū)域時，這些神經(jīng)元并不會激活，而當大鼠在平臺中特定的一小塊區(qū)域則會激活（圖1）?？紤]到每個神經(jīng)元在特定位置會產(chǎn)生動作電位，奧基夫和陀思妥夫斯基稱這些神經(jīng)元為位置細胞，把神經(jīng)元產(chǎn)生最多活動的環(huán)境區(qū)域稱為該神經(jīng)元的位置野。

圖1 發(fā)現(xiàn)位置細胞：它們代表了大鼠在空間中的位置。（a）奧基夫和陀思妥夫斯基在1971年的論文中記錄了大鼠海馬區(qū)神經(jīng)元的電活動（這些電信號包括動作電位），圖示中大鼠在探索一個由帷幕環(huán)繞三邊的架高的平臺。（b）研究者發(fā)現(xiàn)一些神經(jīng)元只有在特定區(qū)域時才會激活。他們命名這些神經(jīng)元為位置細胞，而神經(jīng)元激活的區(qū)域稱為位置細胞的位置野。圖示展現(xiàn)了位置細胞的位置野，定義為當動物位于該區(qū)域時，對應的神經(jīng)元會產(chǎn)生動作電位

在奧基夫和陀思妥夫斯基重要的研究發(fā)現(xiàn)之前，研究者們曾提出假設：動物通過探索能夠在環(huán)境特征（如環(huán)境中的標志）和自己的位置間建立內(nèi)在的模型——或者說一個外在世界的“認知地圖”。這一認知地圖讓動物能夠靈活地在環(huán)境中行動，而位置細胞很可能是認知地圖的基礎。假若如此，位置細胞并非單單對特定的感覺線索做出反應（譬如這一環(huán)境區(qū)域特有的視覺特征），這些細胞的活動更可能代表了動物所處位置的更為抽象的綜合特征總和。進一步的試驗支持這種可能性：一些位置細胞在黑暗中依舊保持活躍，同時無論動物所面向何方，它們都會保持活動。

記憶和導航研究領域從此開始火熱起來，最終位置細胞在腦中扮演的角色，從動物空間位置的信號傳輸者，拓展到了動物空間記憶的基礎。奧基夫和陀思妥夫斯基使用的電極記錄手段成為幾十年來研究海馬區(qū)神經(jīng)元電信號的范式，在一系列環(huán)境和行為學測試中穩(wěn)定而可靠地記錄了位置細胞的電活動。通過改變環(huán)境的形狀或是標志特征，研究發(fā)現(xiàn)位置細胞能夠“學習”環(huán)境變化并對之做出反應。舉例來說，當大鼠先探索一個方形盒子，再探索一個圓形區(qū)域，一些位置細胞的位置野會被關閉、啟動，或是移動到新的空間位置。這種活動變化中產(chǎn)生了一組獨特的位置細胞，它們在動物探索的每個不同環(huán)境中都保持激活狀態(tài)，這使動物能夠識別目前所處的環(huán)境，并在再訪時能夠回憶起來。

奧基夫和陀思妥夫斯基的原始研究展示了8個位置細胞的數(shù)據(jù)。50年來的技術進步讓研究者能夠同時記錄數(shù)十至成千上萬個位置細胞，由此得以探究需要多少位置細胞共同運作以實現(xiàn)導航和記憶。舉例來說，一組位置細胞能夠一起在數(shù)天內(nèi)維持穩(wěn)定的位置預估，即使改變其中一個細胞都能夠改變他們的活動方式。進一步的實驗手段也揭示了位置細胞各式各樣的反應。1971年，奧基夫和陀思妥夫斯基已經(jīng)隱約發(fā)現(xiàn)并非所有位置細胞都對動物的空間位置起反應，之后的研究工作發(fā)現(xiàn)位置細胞信號和許多（非空間）變量相關，譬如特定的氣味、聲音的頻率和社會伙伴。因此位置細胞信號并不只代表空間位置，也象征著一段經(jīng)驗的其他特征，這強烈提示海馬區(qū)神經(jīng)元是產(chǎn)生和儲存特定經(jīng)驗的基礎。

在過去數(shù)十年中，科學家在靈長類、小鼠、蝙蝠和鳥類中都發(fā)現(xiàn)了不同版本的位置細胞，提示進化中記憶和導航的保守機制正是以這些細胞為基礎。此外，奧基夫和陀思妥夫斯基在海馬區(qū)中發(fā)現(xiàn)位置細胞也讓研究者進一步探究周圍腦區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)了內(nèi)嗅皮質(zhì)（毗鄰海馬的另一腦區(qū)）能夠感知動物的位置、方向和運動速度，以及物體的位置和時間的流動。大鼠和小鼠神經(jīng)元對方向的感知相似，而果蠅中也有類似的發(fā)現(xiàn)，這提示導航背后的神經(jīng)元系統(tǒng)或在進化上具有古老的共同起源。哺乳動物的海馬區(qū)和內(nèi)嗅皮質(zhì)二者相結(jié)合實現(xiàn)了建造認知地圖所需要的概念元素，由此哺乳動物能夠靈活地在世界上導航、記憶并規(guī)劃路線。

至今為止，許多研究描述了位置細胞活動和動物行為間的關聯(lián)性?，F(xiàn)在，研究者能夠操縱活動動物位置細胞的活動，揭示位置細胞活動、記憶和導航間的潛在因果關系。舉例來說，人工激活通常在喂水獎勵位置附近產(chǎn)生反應的位置細胞，能夠激發(fā)動物在沒有獎勵區(qū)域內(nèi)的舔舐行為?；颉⒎肿雍图毎麑W工具的進步無疑會繼續(xù)引領記憶和導航領域走向新方向，而這一切起源于位置細胞的發(fā)現(xiàn)。

資料來源 Nature