大脑中的GPS

点击上方“脑人言”关注我们

撰文：东华君

编辑：X

我们如何感知自己身在何方？我们如何找到两个地点之间的路线？我们是怎样将这些信息储存下来，使我们重返故地时能立刻找到原来的路？

2014年诺贝尔生理学或医学奖得主（图1），约翰·奥基夫（John O ́Keefe）、迈-布里特·莫泽（May-Britt Moser）和爱德华·莫泽（Edvard Moser）共同发现了大脑里的“定位系统”，一台内置的GPS，使得我们能在空间中定位自己的位置，并指导我们下一步的行动。这项工作的过人之处在于，完美的在细胞层次上揭示了这一认知功能的神经基础。

图1.2014年诺贝尔生理学或医学奖得主

大家应该都使用过GPS。我们能使用该系统至少基于两个条件：首先，得具备一个灵敏的信号发送接收装置，实时的反映我们当前所处的位置；其次，我们得有张地图，这张带有坐标系的地图能告知你整个环境内各地点的分布，以及我们所处位置。我们只有在实时地知道自己所处位置并知道与目的地之间的相对位置的前提下，才能顺利地穿过复杂的街道到达我们的目的地。

1971年，奥基夫发现了这个定位系统的第一部分。他发现大脑海马（hippocampus）里有一种神经细胞，命名为“位置细胞”（place cells）。每当老鼠身处屋子的某个特定位置的时候，相应的位置细胞总是会被激活，老鼠便能实时准确地感知自己所处的位置。并且，当老鼠在屋子内跑上一圈时，一大群不同的位置细胞都会被激活，就能告诉老鼠各地点的位置，帮助绘制详细的脑内“地图”。

2005年，莫泽夫妇发现了大脑定位系统的第二部分。他们发现了另一种神奇的神经细胞，命名为“网格细胞”（grid cells）。每个“网格细胞”以独特的空间模式被激活，所有的这类细胞共同形成了一个坐标系统，允许生物进行精确的定位和寻路。

正是脑内的“位置细胞”所传达的实时位置感和“网格细胞”所构建的坐标系统一道，共同组建了大脑内的“GPS”定位系统，允许生物在复杂的环境中进行精确的定位和导航。

我们如何感知我们所在的环境？

位置感和导航能力对于我们的生存非常重要。位置感使我们能够感知自己在环境中所处的位置。在导航时，我们的位置感会与基于运动和对先前位置认知所形成的距离感相互联系，帮助我们在复杂的环境中寻找路线。

多年以来，关于位置和导航的问题一直困扰着哲学家和科学家。200多年前，德国哲学家康德认为一些精神能力是独立于经验的先验知识。他认为空间概念是意识中既有的原则，人们会通过，也必须通过这些原则感知世界。

到20世纪中叶，行为科学的出现使得这些问题得以通过实验手段进行解答。当爱德华·托尔曼（Edward Tolman）观察迷宫中老鼠的运动时，他发现它们能够学习如何导航。因此，他提出它们脑中形成了一副空间记忆的“认知地图”，使它们能够找到自己要去的路。但新的问题来了：这个“地图”在大脑中是如何表征的呢？

奥基夫以及空间位置

在20世纪60年代后期，奥基夫开始试图用神经生理学的方法来解决这一问题。当他对在屋内自由移动的老鼠的大脑海马内单个神经细胞的信号进行记录时，奥基夫发现，当老鼠经过特定的位置时，某些特定的神经细胞会被激活（图2）。不同的“位置细胞”在不同的位置被激活，大量被激活的位置细胞所编码的位置信息联合在一起，就可以表征一个特定的环境。并且，这种细胞群体是动态存在的。在不同的环境中，通过激活不同的位置细胞群体，海马就能生成很多不同的“地图”。奥基夫的发现解释了位置信息在大脑中的表征形式，强有力的支持了托尔曼所提出的“认知地图”理论。

图2.奥基夫在1971年发现，大脑的海马里面有一种“位置细胞”，能传达实时的位置感，并参与组建了大脑中的“认识地图”。

奥基夫随后的研究表明：这些位置细胞可能具备记忆的功能。当将老鼠放入不同的环境中，不同的位置细胞之间会重新组合以形成不同的群体。这种重新组合的过程是可以通过学习获得的，并且这种组合形式一旦建立后，在相当长的时间内都比较稳定。这些位置细胞可能为记忆的形成提供一个神经环路层面的解释，即关于一个特定环境的空间记忆可以被存储在一群特定位置细胞之间的联系中。

有意思的是，随后Matt Wilson等人发现，老鼠在学习空间行为任务后的睡眠中，在学习任务时一同被激活的位置细胞会被再次激活。这说明位置细胞可能在睡眠中重放（replaying）学习过的任务。而且，位置细胞还会按照和学习时同样的激活顺序重放。这些研究提示，海马位置细胞通过重放在清醒学习时的发放模式而参与记忆巩固。

莫泽夫妇与定位系统的坐标系统

2005年，莫泽夫妇在研究老鼠移动过程中海马会与哪些脑区进行信息交流时，在海马附近的一个被称为内嗅皮层（entorhinal cortex）的区域中发现了一群令人惊讶的“网格细胞”。当老鼠经过一系列特定的位置时这些细胞就会被激活，而这些特定的位置正好组成了六角形网格（图3）。每个网格细胞都以独特的空间模式被激活，这些细胞共同建立出一个可以进行空间导航的坐标系统。这为测量运动的距离提供了解决办法，并且为海马内的“认知地图”加上了坐标系统。

图3 莫泽夫妇在2005年发现，大脑的内嗅皮层中存在“网格细胞”，能构建“认识地图”的坐标系统，使得空间导航成为可能。

更多的研究表明，“网格细胞”和其他脑区中负责编码头部朝向和空间边界的朝向细胞（head direction cell）和边界细胞（boundary cell）共同组成了一个神经网络。这个神经网络在老鼠的大脑中建立了一套综合定位系统，一个内置的GPS，编码了空间记忆的“认知地图”（图4）。

图4.网格细胞、边界细胞和朝向细胞一起，共同为屋子绘制了详细的“认知地图”。每当老鼠经过某一位置时，都会有特定的位置细胞实时地反映其当前的位置。老鼠的大脑能将两者信息相互结合，共同组成了一套综合的定位系统，指导自己的行动。

人类大脑内的“地图”

在人类大脑中，海马和内嗅皮层一直被认为参与了我们的空间学习和情景记忆。通过成像技术，研究人员在人类的海马和内嗅皮层中分别发现了类似于老鼠脑内的“位置细胞”和“网格细胞”的神经细胞。这表明，人类大脑里面同样具有一个类似于其他哺乳动物所具备的定位系统（图5）。

图5. 人类大脑里面同样具有一个类似的定位系统。这个定位系统能帮助我们在复杂的环境中进行精确的定位和导航。

关于伦敦的士司机的研究结果也暗示海马内的某些细胞不仅能标记特定的位置，而且在大脑形成空间记忆的过程起到重要作用。要成为伦敦的的士司机，需要通过严格的训练，记住数千个地点，并且知道这些地点之间最直接的路线。研究表明，相较于普通民众，伦敦的士司机的海马体积较大，而且海马的大小与司机开车的经验呈现正相关。

在阿尔兹海默氏病（AD）的早期阶段，患者的海马和内嗅皮层经常会受到影响，导致这些患者无法辨别周边环境并且经常迷路。了解大脑的定位系统或许可以帮助我们更好的了解这种疾病导致患者包括空间记忆在内的认知功能下降的机制。

研究意义

为了认知、记忆我们周围的环境并使用这些信息为自己导航，我们必须具备一张大脑内的“地图”和位置感。这种导航的能力，需要大脑对来自外部的多种形式的感觉信息、运动的执行和脑内所储存的记忆进行整合，是一项复杂的认知功能。奥基夫和莫泽夫妇的发现是开创性的，能帮助我们更深入的了解精神活动如何在脑内表现和大脑如何处理复杂的认知功能和行为。

2014年诺贝尔生理学或医学奖得主们的工作从根本上改变了我们对大脑导航功能的认识。奥基夫在海马中发现了位置细胞，这些细胞能标记特定的位置并且帮助大脑形成空间记忆。莫泽夫妇在内嗅皮层中发现了“网格细胞”，这些细胞为大脑提供了执行导航功能所必需的坐标系统。在老鼠的运动过程中，这两类相互联系的神经细胞一起形成了一个神经网络，帮助老鼠构建“认知地图”和执行导航功能。他们的工作极大地改变了我们对从神经网络层面上研究认知功能的理解，并且给我们研究空间记忆的形成机制提供了重要的启示。

参考资料：

https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/.../2014/advanced-medicineprize2014

O'Keefe, J., and Dostrovsky, J. (1971). The hippocampus as a spatial map. Preliminary evidence from unit activity in the freely-moving rat. Brain Research 34, 171-175.

O ́Keefe, J. (1976). Place units in the hippocampus of the freely moving rat. Experimental Neurology 51, 78-109.

Fyhn, M., Molden, S., Witter, M.P., Moser, E.I., Moser, M.B. (2004) Spatial representation in the entorhinal cortex. Science 305, 1258-1264.

Hafting, T., Fyhn, M., Molden, S., Moser, M.B., and Moser, E.I. (2005). Microstructure of spatial map in the entorhinal cortex. Nature 436, 801-806.

Sargolini, F., Fyhn, M., Hafting, T., McNaughton, B.L., Witter, M.P., Moser, M.B., and Moser, E.I. (2006). Conjunctive representation of position, direction, and velocity in the
entorhinal cortex. Science 312, 758-762.

ilson, M.A. and B.L. McNaughton, Reactivation of hippocampal ensemble memories during sleep. Science, 1994. 265(5172): p. 676-9.

Foster, D.J. and M.A. Wilson, Reverse replay of behavioural sequences in hippocampal place cells during the awake state. Nature, 2006. 440(7084): p. 680-3.

Taube, J.S., R.U. Muller, and J.B. Ranck, Jr., Head-direction cells recorded from the postsubiculum in freely moving rats. I. Description and quantitative analysis. J Neurosci, 1990. 10(2): p. 420-35.

Lever, C., et al., Boundary vector cells in the subiculum of the hippocampal formation. J Neurosci, 2009. 29(31): p. 9771-7.

Moser, M.B. and E.I. Moser, Crystals of the brain. EMBO Mol Med, 2011. 3(2): p. 69-71.

Buzsaki, G. and E.I. Moser, Memory, navigation and theta rhythm in the hippocampal-entorhinal system. Nat Neurosci, 2013. 16(2): p. 130-8.

新浪微博：脑人言

知乎专栏：行为与认知神经科学

QQ群：638710880

脑人言 | 聊聊脑科学

长按二维码关注我们

~友情赞助~