上海信帆生物：定位、導航，大腦是這樣做到的

2014年諾貝爾獎生理學或醫學獎頒給了三位在這方麵有重要突破的科學家，他們(men) 是英國倫(lun) 敦大學學院的約翰·奧基夫（johno'keefe，1939-）、挪威的梅-布裏特·莫澤（may-brittmoser，1963-）和愛德華·莫澤（edvardmoser，1962-）。他們(men) 的工作揭示了大腦在定位和導航方麵的重大秘密，著神經生理學界發現了大腦中自帶的定位導航係統。

大腦是人體(ti) zui重要的也是zui神秘的器官，感知位置和導航的能力是大腦zui基本的功能之一，可大腦究竟是如何做到這一點的，長期以來一直是科學家試圖搞清楚的問題。2014年諾貝爾獎生理學或醫學獎頒給了三位在這方麵有重要突破的科學家，他們(men) 是英國倫(lun) 敦大學學院的約翰·奧基夫（johno'keefe，1939-）、挪威的梅-布裏特·莫澤（may-brittmoser，1963-）和愛德華·莫澤（edvardmoser，1962-）。他們(men) 的工作揭示了大腦在定位和導航方麵的重大秘密，著神經生理學界發現了大腦中自帶的定位導航係統。

這世上有些事情看似很簡單，細想一下卻可能很是深奧，比如我們(men) 回家，我們(men) 的大腦究竟是如何做到讓我們(men) 順利地回家的？因為(wei) 要想走回家，有許多需要處理的事項：需要知道此刻自身所在的位置，需要知道家在哪裏，需要確定往哪兒(er) 走，何時拐彎，何時停下……在這個(ge) 過程中，大腦是如何感知身處何地的？大腦是如何選定從(cong) 一個(ge) 地點到另一個(ge) 地點路線的？大腦又是如何將這些信息儲(chu) 存起來以便用於(yu) 下次引路的？給人們(men) 留下了許多謎團，一旦破了這些謎團，也就弄清了大腦定位和導航的機製了。

解*個(ge) 謎團的人是奧基夫，他發現大腦中有一種“位置細胞”能夠在經過某些地方時指出所在位置。那是1970年，奧基夫和他的團隊在做一個(ge) 實驗。他們(men) 把電極記錄器安置在小鼠大腦的海馬體(ti) 區域，然後讓小鼠在一個(ge) 陌生的環境裏自由行動。結果發現小鼠的海馬體(ti) 區域有一種特殊的神經細胞會(hui) 對它所在的位置產(chan) 生選擇性興(xing) 奮，比如當小鼠靠近一個(ge) 輪子，或是到達門前的位置時才會(hui) 被激活。這種特殊的神經細胞就是“位置細胞”，它以選擇性激活的方式賦予那些特定的位置以特殊的標識，讓大腦能夠記住身體(ti) 曾經到過的那些地方，於(yu) 是在小鼠的腦中形成了一幅關(guan) 於(yu) 周邊環境的“地圖”。

“位置細胞”的發現提示了一個(ge) 充滿希望的研究方向，科學家們(men) 去尋找其他類型的與(yu) 導航相關(guan) 的神經細胞。幾年之後果然發現了“頭部方向細胞”，這是一種能夠識別頭部朝向的神經細胞，它通過選擇性興(xing) 奮來標識方向。比如：當頭部朝向東(dong) 方的時候，一組細胞會(hui) 興(xing) 奮；而頭部轉向西方時，則是另一組細胞興(xing) 奮。“頭部方向細胞”就以這樣的方式為(wei) 身體(ti) 指示前進的方向。

而對於(yu) 導航能力極為(wei) 關(guan) 鍵的“網格細胞”，其發現就要歸功於(yu) 至今已經相濡以沫28年的莫澤夫婦了。2005年，莫澤夫婦在實驗時發現，在小鼠通過某一些特定位置點的時候與(yu) 海馬體(ti) 相鄰的內(nei) 嗅皮層區域的神經細胞也會(hui) 發生激活，而且這些位置點構成了一個(ge) 呈六邊形的網格形狀，很像中國跳棋的棋盤。可是小鼠活動的地方並沒有六邊形存在，因此這一形狀隻是小鼠大腦的產(chan) 物。它疊加在環境背景之上，隻要小鼠經過這一六邊形上的某一點時，其對應的神經細胞就會(hui) 被激活。這些被激活的細胞就是網格細胞，它們(men) 建立起一種空間表象，起到了建立坐標係的作用，記錄下所有在移動中產(chan) 生的位置信息，記錄下身體(ti) 行進通過的路徑。這樣一來，盡管小鼠在陌生的環境中來回穿行，隨意走動，但網格細胞可以隨時調取提供所記錄的信息，確保它不會(hui) 找不到回家的路。

奧基夫發現的“位置細胞”與(yu) 莫澤夫婦發現的“網格細胞”一起構成了小鼠大腦中的定位導航係統，這種係統就像大腦內(nei) 置的“gps”能夠完成複雜的定位和導航任務。後來，科學家們(men) 已經在包括人類在內(nei) 的很多哺乳動物身上發現了同樣的由“位置細胞”和“網格細胞”構成的定位導航係統，也就是說，我們(men) 能夠順利找到回家的路同樣需要依賴我們(men) 大腦中的這套係統。隻有借助於(yu) 這個(ge) 定位導航係統，我們(men) 才能夠正確地了解自己所處的環境，才能夠恰當處理自己與(yu) 周圍物體(ti) 的關(guan) 係，才能夠在複雜的環境中識別、記憶並辨別方向，才能夠具有良好的空間能力。

另外，在研究大腦的定位、導航機製的同時，也揭示了大腦認知過程中的其他一些奧秘。就在研究“網格細胞”的時候，莫澤夫婦發現這些“網格細胞”形式豐(feng) 富，形成的圖形有著大小的差異，有著方位的不同。盡管如此，它們(men) 卻具有複雜而穩定的結構模式：產(chan) 生大小與(yu) 方位相同圖形的細胞聚集在一起構成了一個(ge) 獨立單元，各個(ge) 單元沿著內(nei) 嗅皮層上下方向分布，較大的位於(yu) 下部，相鄰單元產(chan) 生圖形的大小相差1.4倍，遵循著一個(ge) 嚴(yan) 格的數學公式。這些結構的存在似乎在提醒人們(men) 注意大腦細胞是作為(wei) 一個(ge) 整體(ti) 來執行認知功能的，對於(yu) 記憶與(yu) 位置環境之間的關(guan) 係需要進行更為(wei) 深入的研究，從(cong) 而開辟了人類研究記憶、思考等認知過程的新途徑。

我們(men) 的大腦有著太多的未知，因此人們(men) 對於(yu) 這一領域的後續研究及其應用充滿期待。比如，由於(yu) “網格細胞”所在的內(nei) 嗅皮層也正是阿爾茨海默綜合征患者zui先發生損害的部位之一，而病的zui初的症狀也正是記憶喪(sang) 失與(yu) 無法辨識外界環境。所以人們(men) 希望通過對“網格細胞”深入研究，理解人類大腦空間記憶的中樞機製，找出記憶的喪(sang) 失現象的原因，找到預防和治療阿爾茨海默綜合征這類腦部疾病的辦法。我們(men) 相信在不遠的將來，科學家們(men) 對於(yu) 大腦的研究成果就會(hui) 直接造福於(yu) 人類社會(hui) 。

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