發(fā)現(xiàn)腦中“GPS”

文- 洪 波

你可能發(fā)現(xiàn)自己或身邊的一些朋友不善記路，俗稱“路癡”。年紀(jì)大的人路癡更嚴(yán)重，如果其中有人不幸得了老年癡呆，找不著家更是經(jīng)常的。相反，我們很佩服出租車司機(jī)在城市里繞來繞去都不會迷路的本領(lǐng)。

路癡真相

2014年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎，授予了師徒三人——英國神經(jīng)生物學(xué)家約翰·奧基夫（John O'Keefe）和挪威生物學(xué)家愛德華·莫澤（Edvard Moser）、梅-布里特·莫澤 （May-Britt Moser）夫婦。他們的研究告訴我們，路癡不是你的錯(cuò)，很可能是你的空間定位系統(tǒng)，也就是大腦中的GPS出了問題。研究發(fā)現(xiàn)一些特殊的神經(jīng)細(xì)胞構(gòu)成了大腦中精巧的定位系統(tǒng)，充當(dāng)你的內(nèi)置GPS。

約翰·奧基夫

梅-布里特·莫澤（左）和愛德華·莫澤夫婦

大腦中的GPS究竟在哪？如果有機(jī)會給“路癡”和出租車司機(jī)做個(gè)磁共振成像，我們會發(fā)現(xiàn)他們的大腦有個(gè)地方——“海馬”（Hippocampus）可能不同，出租車司機(jī)的海馬比“路癡”的大些。這里的海馬不是海洋魚類，而是我們大腦深部一個(gè)長得像海馬的結(jié)構(gòu)，它是大腦存儲記憶的轉(zhuǎn)運(yùn)站。

世間萬物都在“認(rèn)知地圖”上

白天碰到的人和事，學(xué)到的知識，晚上睡覺時(shí)很可能會從大腦皮層轉(zhuǎn)運(yùn)到海馬，待海馬收拾整理完畢，再送回大腦皮層表面哪些遍布皺褶的地方，這才算正式成為記憶鞏固下來。今年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的研究集中在海馬和它臨近的腦區(qū)，特別是連接海馬和大腦皮層表面的內(nèi)嗅皮層（Entorhinal Cortex）。

看來海馬和它周邊的腦組織很重要，既管空間定位，又管記憶整理。一般我們記得的人和事是和地點(diǎn)聯(lián)系在一起的，如前天我和家人去了什剎海，劃了船，這一記憶的片段首先是和什剎海這個(gè)地方關(guān)聯(lián)在一起的。當(dāng)然，地點(diǎn)也是由各種物體一起來定義的。如果什剎海是一片平地，周圍也什么都沒有，那我們根本無法定義什剎海。也就是說，空間定位和人類對客觀世界的認(rèn)知關(guān)系密切，這種密切的關(guān)系深藏在海馬之中。

一個(gè)聽起來很完美的假設(shè)是，我們對世間萬物的認(rèn)知可能都被放在一張“地圖”上，即“認(rèn)知地圖”，它把客觀物體和地點(diǎn)聯(lián)系在一起，很可能還把不同物體之間的關(guān)系建立起來。在這里，記憶不再是散落的珍珠，一件件人和事都被編織在一起，成為記憶之網(wǎng)。有了認(rèn)知地圖和記憶之網(wǎng)，或者說有了海馬，我們才知道自己身處何處。所以諾貝爾頒獎詞說，這項(xiàng)研究解決了一個(gè)困擾哲學(xué)家和科學(xué)家?guī)讉€(gè)世紀(jì)的問題，確實(shí)不為過。

《海馬-認(rèn)知地圖》引起大“火”

從我家去什剎海，一路上要經(jīng)過好幾條路，拐好幾個(gè)彎。這一路上，我大腦中的GPS是怎么工作的？首先，它要知道出發(fā)點(diǎn)家的位置，然后根據(jù)我前進(jìn)的方向和速度等運(yùn)動信息來推算我走到哪里了，還要時(shí)刻記得終點(diǎn)什剎海在哪里。這種認(rèn)路方法在認(rèn)知心理學(xué)上叫“路徑整合”。車?yán)锏腉PS就是這么認(rèn)路的。那么，海馬體中有沒有細(xì)胞在報(bào)告家的位置和什剎海的位置？有沒有細(xì)胞在報(bào)告運(yùn)動方向和速度這些信息？當(dāng)然有。

1971年，獲獎?wù)呒s翰·奧基夫首先在大鼠的海馬發(fā)現(xiàn)了“位置細(xì)胞”（Place Cell）。他把微電極植入大鼠的海馬，讓大鼠們在迷宮里自由探索，發(fā)現(xiàn)某些海馬細(xì)胞只對某個(gè)特定的位置敏感，只有大鼠跑到這個(gè)特定位置時(shí)，這些細(xì)胞才有放電活動。

如果有足夠時(shí)間慢慢找，就會發(fā)現(xiàn)迷宮里每一個(gè)位置都有一群特定的海馬細(xì)胞負(fù)責(zé)，到了自己的“領(lǐng)地”，這群細(xì)胞就會放電。這個(gè)現(xiàn)象讓奧基夫非常激動，他認(rèn)為如果每個(gè)地方都由位置細(xì)胞來表示，我們的大腦就有了一張認(rèn)知地圖，簡單靠譜地把客觀世界映射到了我們大腦里。

大腦中的位置細(xì)胞

對于位置細(xì)胞，其實(shí)剛開始只有奧基夫一個(gè)人激動，科學(xué)界對此并不買賬。于是他寫了一本書——《海馬-認(rèn)知地圖》，因書賣得不怎么樣，他干脆把版權(quán)從牛津大學(xué)出版社買了回來，把書做成PDF放在網(wǎng)上供大家免費(fèi)下載，直到今天，你仍然可以從cognitivemap.net上免費(fèi)得到這本書。后來海馬和位置細(xì)胞研究火得一塌糊涂，成了腦科學(xué)一個(gè)獨(dú)立而興旺的領(lǐng)域。

甚至這把“火”都燒到了我的實(shí)驗(yàn)室，有位博士生在我的課上聽到位置細(xì)胞的故事，覺得太神奇了，一定要做這方面的課題，而且提出了一個(gè)很有趣的問題，如果老鼠倒著走，位置細(xì)胞還管用嗎？如果管用，背后的機(jī)理是什么？這個(gè)問題聽起來有點(diǎn)怪，其實(shí)背后的邏輯和啟發(fā)意義很不錯(cuò)，遺憾的是其他實(shí)驗(yàn)室先拿到了結(jié)果，我們只記錄到了奧基夫發(fā)現(xiàn)的另一個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：和位置細(xì)胞緊密聯(lián)系的Theta振蕩。

奧基夫得獎一半是因?yàn)槲恢眉?xì)胞，另一半是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了Theta振蕩和位置細(xì)胞放電之間的相位關(guān)系，這種相位關(guān)系居然表示了老鼠在位置細(xì)胞領(lǐng)地里的相對位置。故事發(fā)展到這里，我們已驚嘆于大腦的精妙絕倫。但更精妙的發(fā)現(xiàn)還在后面。

網(wǎng)格細(xì)胞與“路徑整合”

2005年6月的一天，我在霍普金斯醫(yī)學(xué)院圖書館翻看當(dāng)期的《自然》雜志，第一次讀到了莫澤夫婦在內(nèi)嗅皮層發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格細(xì)胞（Grid Cell）的文章，當(dāng)時(shí)印象最深的是網(wǎng)格細(xì)胞排列齊整的六角形“領(lǐng)地”，像很多個(gè)正三角形拼接起來的坐標(biāo)紙。這些正三角形的每個(gè)頂點(diǎn)都是網(wǎng)格細(xì)胞感興趣的位置，老鼠跑到這些位置，網(wǎng)格細(xì)胞就會放電。甚至大腦的內(nèi)嗅皮層還存在不同間距的網(wǎng)格細(xì)胞，就像不同精細(xì)度的坐標(biāo)紙。

2007年莫澤夫婦訪問華東師范大學(xué)，我有幸和他們討論了網(wǎng)格細(xì)胞所代表的網(wǎng)格間距問題，他們曾經(jīng)試過一個(gè)18米長的直線迷宮，發(fā)現(xiàn)有些網(wǎng)格細(xì)胞可代表的網(wǎng)格間距達(dá)到2～3米。

網(wǎng)格細(xì)胞不僅形式很漂亮，作用更了不起。假如你去了一個(gè)陌生城市，要從車站找到要去的酒店，周圍的景物和地標(biāo)都是陌生的，你的海馬中根本沒有對應(yīng)每個(gè)地點(diǎn)的位置細(xì)胞，怎么辦？拿出地圖，一邊走一邊看地圖，這時(shí)你大腦中的網(wǎng)格細(xì)胞就開始發(fā)揮作用了。

網(wǎng)格細(xì)胞根據(jù)你走路的方向和速度，一步步推算你走了多遠(yuǎn)，到地圖什么地方了，當(dāng)然它們還需要一些幫手，如負(fù)責(zé)表示你的行進(jìn)方向和速度的細(xì)胞等。這個(gè)過程就是前面提到的“路徑整合”。僅靠這個(gè)辦法，你大概會迷路，或者你至少需要問問路才能到達(dá)目的地。因?yàn)槊看喂浪愣紩姓`差，走幾個(gè)路口，你對方位和距離的判斷就不準(zhǔn)了。

當(dāng)然方向感強(qiáng)的人，可通過地圖標(biāo)注核實(shí)眼前看到的是哪個(gè)商場、哪個(gè)咖啡廳，在大腦中臨時(shí)“造出”幾個(gè)負(fù)責(zé)這些特殊地標(biāo)的位置細(xì)胞，幫助校正“路徑整合”的誤差。你從酒店回車站時(shí)，或者下次再來這個(gè)城市時(shí)，這些“造出來”的位置細(xì)胞就會大派用場，你甩開地圖也能找到地方了。

大腦中的網(wǎng)格細(xì)胞

網(wǎng)格細(xì)胞對于空間定位也很重要，特別是在陌生環(huán)境中就靠它了。網(wǎng)格細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)再次證明科學(xué)是美的，簡潔而有規(guī)律，莫澤夫婦和奧基夫分享諾貝爾獎當(dāng)之無愧。有趣的是，位置細(xì)胞是在海馬發(fā)現(xiàn)的，而網(wǎng)格細(xì)胞主要在海馬旁邊的內(nèi)嗅皮層。

后來莫澤夫婦采用非常精巧的光遺傳學(xué)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了網(wǎng)格細(xì)胞對位置細(xì)胞的直接輸入連接，這和理論預(yù)測非常一致，說明位置細(xì)胞很可能是通過網(wǎng)格細(xì)胞的整合產(chǎn)生的。值得一提的是，莫澤實(shí)驗(yàn)室的一對中國夫婦——張生家和葉菁在這項(xiàng)工作中做出了重要貢獻(xiàn)。

這個(gè)諾獎故事告訴我們，應(yīng)更關(guān)愛自己腦中的海馬。因研究發(fā)現(xiàn)海馬非常脆弱，不能缺氧，睡覺打呼嚕、頸動脈斑塊都會導(dǎo)致海馬缺氧萎縮，輕則“路癡”，重則老年癡呆。即使沒有這些毛病，也應(yīng)該保證充足的睡眠，留點(diǎn)時(shí)間讓你的海馬構(gòu)建你的認(rèn)知地圖，以免迷失自己。

延伸閱讀

那些獲得諾貝爾獎的夫妻檔

2014年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎三位得主中，梅-布里特·莫澤博士和愛德華·莫澤博士是一對夫婦。實(shí)際上，在諾貝爾獎的歷史上，夫婦均獲獎的不乏其人。

開創(chuàng)夫妻同獲諾貝爾獎先河的是大名鼎鼎的居里夫婦?，旣悺ぞ永铮ǚ▏锢韺W(xué)家、化學(xué)家）與皮埃爾·居里（法國物理學(xué)家）夫婦因?qū)Ψ派湫袁F(xiàn)象的研究，共享了1903年諾貝爾物理學(xué)獎（居里夫人還因發(fā)現(xiàn)鐳和釙元素，提純鐳并研究了其性質(zhì)及化合物而獲得1911年諾貝爾化學(xué)獎）。居里夫婦的大女兒和大女婿——伊雷娜·約里奧-居里和弗雷德里克·約里奧-居里夫婦因?qū)θ斯し派湫缘拈_創(chuàng)性研究，共同獲得1935年諾貝爾化學(xué)獎。有趣的是，居里夫婦小女兒的丈夫亨利·拉波易斯也在1965年榮獲諾貝爾和平獎。

格蒂·科里（美國生物化學(xué)家）和卡爾·科里（美國生物化學(xué)家）夫婦，因發(fā)現(xiàn)糖代謝中的酶促反應(yīng)，共同獲得1947年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

貢納爾·默達(dá)爾（瑞典經(jīng)濟(jì)學(xué)家、政治家）和阿爾瓦·米達(dá)爾（瑞典女政治家）夫婦則分別于1974年和1982年獲得諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎、諾貝爾和平獎。