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寻找大脑中的定位系统
发表时间:2015-01-26 17:16:42 作者:admin 点击:
寻找大脑中的定位系统
 
 

    CFP供图

    约翰·奥基夫

    梅-布里特·莫泽和爱德华·莫泽

 

    唐骋

    新闻背景 

    我们如何知道自己身处何方?我们怎么找到从一个地方到另一个地方的路径?我们如何存储这些信息,从而能够在下一次立即找到这条路?

    今年的三位诺贝尔生理学或医学奖获得者,就是研究这些问题的科学家。他们发现了组成大脑定位系统的细胞,由这些细胞组成的系统就是“大脑中的GPS”。

    飞鸽传书,老马识途。人类很早就已经意识到,很多动物都具有出类拔萃的导向能力,纵使万水千山,无论阴晴雨雪,这些神奇的动物总能知道路在何方。人类当中也不乏这样的认路高手,他们的脑海中似乎嵌入了一张高分辨率地图,怎样都不会迷失方向。他们是怎样做到这一点的?刚刚揭晓的2014年诺贝尔生理学或医学奖向我们解答了这个问题。

    约翰·奥基夫

    破解空间位置记忆机制

    如何才能不迷路呢?首先,我们必须知道自己要去的是个怎样的地方。譬如说,我要去北京故宫,首先就得知道那是一个有着红色宫墙、金色琉璃瓦的巨大宫殿。抽象一些说,我们要通过一系列特征来确定某一个位置。特征与位置的联系一旦建立,就可以在大脑中长期保留,这种专门记忆位置信息的记忆,在神经科学上有个专门的名称叫做“空间位置记忆”。

    早在20世纪50年代,科学家们就通过对一些脑外伤患者的研究了解到,建立记忆的过程和大脑中一块被称为“海马”的脑区密切相关。因此,空间位置记忆作为一种记忆形式,科学家的目光很自然地也就集中在了海马这个脑区上。而实验也佐证了这样的观点:我们知道,像老鼠之类整天在错综复杂的洞穴中穿行的动物,天生就拥有极为强大的导向能力,然而如果科学家们人为地去切除大鼠或者小鼠大脑中的海马,它们也会一下子变成“迷途的老鼠”。

    1971年,本届诺贝尔生理及医学奖得主之一,伦敦大学学院的约翰·奥基夫,就在前人工作的基础上,设计了这样一个实验:他们先在大鼠的海马中植入了一个记录电极,然后将大鼠放置在一个空旷的房间中让其自由活动。

    经过长时间的努力,他们在纷乱错杂的神经信号中分离出了一组独特的信号,而这组独特的信号则来自一类独特的神经元,奥基夫将这类神经元命名为“位置细胞”。位置细胞的独特之处在于,他们的活跃程度只和大鼠所处的位置有关系:当大鼠待在某个特定区域时,某几个特定的位置细胞就会变得特别活跃;而当大鼠跑到另一个区域时,就会有另外一批位置细胞活跃起来。虽然位置细胞的总数量并不算很多,但是他们通过不同的组合方式可以包含海量的信息,每种特定的位置细胞的组合就对应一个特定的区域,当大鼠进入这个区域时,该组合的位置细胞就会活跃。奥基夫的团队将这个区域定义为其对应位置细胞组合的“发放场”。

    在奥基夫对位置细胞超过30年的研究中,他们了解到位置细胞能够和海马中其他的细胞合作,将那些来自大鼠感觉器官当时所处环境的特征信息,与过往记录到的不同位置的特征信息加以比对。

    通过这种方法,我们的大脑将特定的特征信息与特定的空间位置联系起来,形成了空间位置记忆。位置细胞在空间位置记忆中发挥着核心作用,如果用某些实验方法特异性地杀死大鼠脑中的位置细胞而保留别的细胞,那么这只大鼠的空间位置记忆就会受损但不会影响到其他的记忆。

    和别的记忆一样,这种空间位置记忆既可以随着时间推移而遗忘,也可以通过反复训练来加强,乃至终身保留。但是这种记忆的特殊之处在于它拥有一定的可塑性:当环境发生一定程度的变化时,这些记忆也可以根据环境改变作出一定的修正,这解释了我们为什么能在周遭环境不断变化时,依然可以准确地记住那些地点。

    除此以外,他和他的团队还注意到位置细胞还可以再细分出一些亚类,比如有一类专门对活动边界——一堵墙或是一道无法跨越的沟壑——敏感的神经元,他们将其命名为“边界细胞”。边界对于动物的活动具有非常特殊的意义,所以边界细胞就从一般的位置细胞中独立出来专门用来记住活动的边界。

    然而,仅仅能够记住地区的特征,还不足以解释动物的空间定位能力。如果地图描述了每一个地方的特征,却没有告诉我们这些地点的相对位置,我们依然无法凭借这些信息进行导航。

    莫泽夫妇

    发现大脑中的空间坐标系

    为了能够更好地描述不同地点的位置信息,人们在地图上引入了“经纬度”的概念,这种不依赖于具体位置特征的完全均匀的空间坐标系,能够赋予地图上每一个地点一个独一无二且方便查找的坐标。

    在奥基夫发现位置细胞30多年后,一对科学家夫妇,梅-布里特·莫泽和她的丈夫爱德华·莫泽通过一系列实验证明,动物的大脑当中也存在类似的建立空间坐标系的机制。这些发现使他们与奥基夫共享了今年的诺贝尔生理学或医学奖。

    在此之前,学术界普遍认为,动物的空间定位能力完全来自于海马的记忆,因此对于空间定位机制的研究也一直局限在海马内部。而莫泽尔夫妇在奥基夫以及该领域另一位“大腕”理查德·莫里斯的实验室做访问学者期间,独辟蹊径地想到空间定位机制可能还依赖于海马之外的脑区。

    不过想归想,具体做起来则是另一回事了。人类大脑的复杂程度超过现在已知的任何一条超级计算机的集成电路,要在天文数字数量级别的大脑神经连接中寻找潜藏的目标绝非易事。然而莫泽夫妇还是接受了这个挑战,他们从投射向海马的上游神经元入手,经过多年努力搜索,终于在2005年于海马以外一个叫做“内嗅皮质”的脑区里,发现了一种全新的神经元,他们将其命名为网格细胞。

    这个网格细胞和之前的位置细胞比起来就更有特色了。虽然网格细胞的活跃也和动物所处的位置有关,也有自己的发放场,但是与位置细胞不同,网格细胞的活跃并不依赖于外界输入的特征信息。任意一个网格细胞的发放场在空间中均匀分布,并且呈现出一种蜂巢式的六边形网格状。不同的网格细胞拥有不同分布的六边形网格状发放场,对于给定空间的任意一点,都会落入几个特定组合的网格细胞的发放场中,因此网格细胞可以利用不同的组合来编码空间中的任意一点,从而给与空间中每一个位置以一个独一无二的坐标。

    再后来,随着计算神经科学的发展,科学家通过对神经元的直接检测以及计算机模拟,逐渐揭示出网格细胞能够借助一种非常复杂的算法,整合来自边界细胞等各方面的信息,实时确定自己在这个六边形坐标系中的精确坐标。

    奥基夫和莫泽夫妇的工作为人类理解认知机制,探索神经科学作出了杰出的贡献。即使无需动用位置细胞,他们在科学发展中的位置,也必将会被人们所铭记。

    (作者为果壳网会员)  

    延伸阅读 

    发现大脑GPS的数学原理

    深入解读莫泽夫妇的研究结果就会发现,人的大脑中的网格细胞遵循着一种严格的数学公式在运行,这种数学公式的产生也得力于神经细胞的排列位置。例如,那些产生较小图形以及较窄空间间隔的细胞都位于内嗅皮层的顶部,而那些产生较大网格的细胞则位于底部的位置。

    此外,那些产生相同大小与方位图形的细胞似乎都聚集在一起,形成一个独立单元。这些单元沿着内嗅皮层上下方向分布的顺序排列,并且所有这些单元从小到大,每隔一个产生图形的大小都扩大1.4倍。这种倍数关系是一种简单的数学公式,但又让大脑容易记住空间位置。

    此外,网格细胞也展示了人们大脑中另一种数学能力,即对几何图形的辨识。因为数学家发现,六边形是借助最小网格数量达成最高空间分辨率的最优化图形方案。这种形式最节约能量,也展示了大脑在进化中逐渐发展为精确和有效地指挥人们的行动。(张田勘)







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