張?zhí)锟?王俊聰

“我們?nèi)绾沃牢覀兩硖幒畏?？我們怎么找到從一個地方到另一個地方的路徑？我們?nèi)绾未鎯@些信息，從而能夠在下一次立即找到這條路？”

2014年10月6日，瑞典卡羅林斯卡研究院諾貝爾獎評選委員會宣布，今年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予英國倫敦大學學院教授約翰·奧基夫（John O'Keefe）、挪威科技大學教授梅·布里特·莫澤（May-Britt Moser）和其丈夫愛德華·莫澤（Edvard I. Moser），因為他們發(fā)現(xiàn)了組成大腦定位系統(tǒng)的細胞，由這些細胞組成的系統(tǒng)就是“大腦中的GPS”。

“我們?nèi)绾沃牢覀兩硖幒畏?？我們怎么找到從一個地方到另一個地方的路徑？我們?nèi)绾未鎯@些信息，從而能夠在下一次立即找到這條路？”三位諾貝爾醫(yī)學獎獲獎科學家的研究解釋了這些問題。盡管三位科學家研究所處的時空并不相同，但是他們的研究都和大腦定位系統(tǒng)的細胞有關(guān)。

當海馬區(qū)被切除之后……

最先引發(fā)人們關(guān)注大腦學習、記憶和辨認方向的原因是，研究人員對大腦海馬體（海馬區(qū)、海馬回）取得了初步的認知。海馬體是哺乳類動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的一個特殊部位，是大腦邊緣系統(tǒng)的一部分。海馬又是海馬體中的一部分。海馬體內(nèi)部的形態(tài)比較直觀，層級清晰。

早在20世紀初，就有科學家認識到海馬對于記憶和學習非常重要。1957年，加拿大蒙特利爾神經(jīng)病學研究所的科學家米爾納（Brenda Milner）等人發(fā)現(xiàn)，一位叫亨利的病人長期患有癲癇病，因此決定對其進行手術(shù)。手術(shù)切除了亨利顳葉皮層下一部分邊緣系統(tǒng)組織，其中包括兩側(cè)的海馬區(qū)。手術(shù)后，亨利的癲癇癥狀被有效控制，但自此以后，亨利喪失了某種記憶能力。

亨利被診斷為顳葉遺忘綜合征，其患病特征是無法獲得新記憶，也無法回憶損傷前幾年內(nèi)的記憶，但是能回憶起比較早期的記憶，語言、感覺和分析等能力不受影響。因此，米爾納認為，不同類型的學習記憶由不同的大腦區(qū)域來掌管。海馬區(qū)不僅與記憶有關(guān)，也與人們記憶位置和方向有關(guān)。

20世紀中葉，美國行為心理學家、美國心理學會主席愛德華·托爾曼（Edward Chace Tolman）在觀察小鼠走出迷宮的行為方式時發(fā)現(xiàn)，小鼠可以學會如何判斷路徑。由此，托爾曼提出了“認知地圖”的概念，認為這種認知地圖形成于大腦中，可以讓小鼠找到前行的路徑，而且，這也與記憶有關(guān)，人類同樣是靠這樣的方式來判別方向和找到道路的。

對位置的感知以及判斷方向的能力是人們生存的基礎(chǔ)。對位置的感知構(gòu)成人們在環(huán)境中對自身所處地點的知覺。而在行進的過程中，人們也會判斷運動狀態(tài)、距離和當前的位置。那么，人類和動物的這種地圖，即大腦定位系統(tǒng)是如何形成的？人們又是如何能夠在復(fù)雜的環(huán)境中找到方向？

這些問題促成了后來奧基夫、莫澤夫婦和其他研究人員積極探索人類大腦中的定位系統(tǒng)。

奧基夫與位置細胞

英國倫敦大學學院教授約翰·奧基夫最早發(fā)現(xiàn)了動物和人大腦中的位置細胞，這種位置細胞是構(gòu)成大腦定位系統(tǒng)的關(guān)鍵細胞之一。

接到諾獎委員會的電話時，奧基夫正在伏案工作，聽到這個消息，他說自己“簡直是欣喜若狂”。

奧基夫1939年11月18日出生于美國紐約，父母都是愛爾蘭人。奧基夫大學畢業(yè)于紐約城市學院，1967年，他從加拿大麥吉爾大學獲得生理心理學博士學位。之后，他進入倫敦大學學院做博士后。1987年至今，奧基夫擔任倫敦大學學院認知神經(jīng)學教授，擁有美國和英國雙重國籍。目前，奧基夫是倫敦大學學院神經(jīng)回路與行為中心主任。

1971年，奧基夫在記錄小鼠大腦內(nèi)海馬體單個神經(jīng)細胞信號的過程中注意到，當小鼠位于房間內(nèi)某一特定位置時，一部分神經(jīng)細胞會被激活；但當小鼠在房間內(nèi)的其他位置時，另外一些細胞顯示激活狀態(tài)。例如，小鼠在到達一扇門和一堵墻時，有不同的神經(jīng)細胞激活。

奧基夫分析認為，這些被激活的細胞就是小鼠感知自身位置的位置細胞，這些位置細胞并非只是簡單接收視覺信息，而是在構(gòu)建小鼠辨識自己所在房間的大腦地圖。同時，海馬體會根據(jù)不同的環(huán)境產(chǎn)生大量的地圖，這些地圖在動物所處不同環(huán)境時，由大量神經(jīng)細胞共同作用而形成。因此，生物體對環(huán)境的記憶，可以用海馬體中神經(jīng)細胞特定激活組合的方式來進行存儲。

此外，基于對小鼠的實驗發(fā)現(xiàn)，奧基夫和美國亞利桑那大學的神經(jīng)科學家納達爾（Lynn Nadel）共同撰寫了一本專著《海馬是一個認知地圖》，詳細描述了大腦中的海馬是如何幫助動物和人定位的，其本質(zhì)就是，海馬是大腦中一種內(nèi)在的定位系統(tǒng)。

當然，奧基夫的發(fā)現(xiàn)只是闡明了大腦定位系統(tǒng)的一個方面，還不能全面解釋人們是如何感知自己所處的方位，以及人們在運動和行走中如何辨別距離，余下的工作則由莫澤夫婦來完成，而梅·布里特·莫澤又曾師從奧基夫。

莫澤夫婦與網(wǎng)格細胞

另外獲得此獎的莫澤夫婦在同一所大學讀書，大學一畢業(yè)就結(jié)婚，因為志趣相投一同赴英留學，又一起回到祖國，在同一所大學任教。

過去十年間，兩人已經(jīng)成為所在研究領(lǐng)域的領(lǐng)軍人，發(fā)表論文無數(shù)，也得過多項專業(yè)獎項。

莫澤夫婦的貢獻在于，他們發(fā)現(xiàn)了大腦定位系統(tǒng)中的另一種細胞——網(wǎng)格細胞。這些細胞產(chǎn)生一種坐標體系，從而讓精確定位與路徑搜尋成為可能；而且，他們后來的研究還揭示了位置細胞以及網(wǎng)格細胞是如何讓定位與導航成為可能的。

莫澤夫婦都是挪威人。梅·布里特·莫澤于1963年1月4日出生，是挪威心理學和神經(jīng)科學家，挪威科技大學卡維里（Kavli）系統(tǒng)神經(jīng)科學研究所和記憶生物中心奠基人。梅·莫澤1995年獲得神經(jīng)生理學博士學位。愛德華·莫澤出生于1962年4月27日，是挪威科技大學神經(jīng)科學和心理學教授，他和妻子梅·莫澤在2002年共同創(chuàng)辦了記憶生物學中心和卡維里研究所，2014年他成為美國科學院外籍院士。

愛德華·莫澤擅長數(shù)學，而梅·莫澤則善于和人們打交道。在平時的工作中，他們常常是互補的。

20世紀80年代，奧基夫發(fā)現(xiàn)大腦中的位置細胞后，莫澤夫婦就感到這一研究不僅有意思，而且意義重大，因而投入對到大腦空間記憶的研究中。莫澤夫婦反復(fù)對小鼠進行實驗發(fā)現(xiàn)，當小鼠經(jīng)過更廣闊和復(fù)雜的地形時，小鼠大腦臨近海馬體的一個名叫內(nèi)嗅皮層的部位的神經(jīng)細胞發(fā)生激活。這些細胞會對特定的空間模式或環(huán)境作出反應(yīng)，它們在整體上構(gòu)成所謂的網(wǎng)格細胞。這些細胞組成一個坐標系統(tǒng)，就像人們繪制的地圖一樣，以經(jīng)線和緯線來劃分一個個不同方向和位置的坐標，從而讓空間和地面導航成為可能。

而且，內(nèi)嗅皮層區(qū)域的其他細胞能夠判斷自身頭部對準的方向以及房間的邊界位置，這些細胞與位于海馬體內(nèi)的位置細胞相互協(xié)調(diào)，構(gòu)成一個完整的神經(jīng)回路。這個回路系統(tǒng)構(gòu)成了一個復(fù)雜而精細的定位體系，這就是人們大腦中的定位系統(tǒng)。

不過，莫澤夫婦的發(fā)現(xiàn)顯然更為曲折一些。他們早在奧斯陸大學上學時就接受電生理學家皮爾·安德森（Per Andersen）的指導，在切除小鼠的海馬體進行研究時發(fā)現(xiàn)，海馬體的一側(cè)在空間記憶方面要比另一側(cè)重要得多。大學畢業(yè)后，1996年，莫澤夫婦到位于特隆赫姆的挪威科技大學任助理教授。正是在這段時間，他們發(fā)現(xiàn)了網(wǎng)格細胞。

他們向解剖學家請教后認識到，要準確探索小鼠大腦電流的情況必須將電極插到大腦合適的位置。內(nèi)嗅皮層是大腦后下方一處垂直方向上的微小組織。過去，研究人員對這一不起眼的組織并沒有太多關(guān)注，因為這個部位不僅非常難于接觸外，而且其一側(cè)有一條大血管經(jīng)過，在這里進行操作可能引起致命后果，因此，植入電極的最佳位置是避開血管，并在靠近大腦皮層的地方。

然后，他們把靈敏度極高的電極植入小鼠大腦，可以記錄到來自小鼠內(nèi)嗅皮層單個神經(jīng)細胞的信號。他們讓小鼠在實驗盒子中行走，并持續(xù)記錄它們的大腦電信號。這些信號會被送入計算機，并匹配這些神經(jīng)細胞被激發(fā)時小鼠在盒子中所處的位置。通過這種方法，他們觀察到從內(nèi)嗅皮層傳導出的大量大腦的信息流，這是一個突破性的發(fā)現(xiàn)。

但是，對于記錄到的小鼠大腦的這些總是重復(fù)的信號有什么意義，莫澤夫婦還不能確定。不過，一個假設(shè)在他們頭腦中顯現(xiàn)，如果能讓小鼠的活動范圍更大，那么小鼠大腦中出現(xiàn)的信號就有可能顯現(xiàn)出更大的尺寸，也更容易顯示其意義。于是，他們把小鼠裝入更大的盒子中讓小鼠在其中奔跑。結(jié)果，計算機上的圖形模式漸漸清晰起來，這是一個呈六邊形的網(wǎng)格形狀，就像一個蜂巢。

然而，在小鼠活動的盒子里并沒有六邊形狀存在，這一形狀是在小鼠的大腦內(nèi)抽象地形成并疊加于環(huán)境背景之上的，當小鼠經(jīng)過這一抽象六邊形上的某一點時，某一對應(yīng)的神經(jīng)細胞就會被激活。于是，莫澤夫婦終于意識到，這就是大腦空間的經(jīng)緯系統(tǒng)，也即大腦的圖形語言，大腦正是依靠這種語言來描繪周圍的空間環(huán)境的。2005年，莫澤夫婦正式發(fā)表了他們的研究結(jié)果。

大腦“GPS”的數(shù)學能力

深入解讀莫澤夫婦的研究結(jié)果就會發(fā)現(xiàn)，人的大腦中的網(wǎng)格細胞遵循著一種嚴格的數(shù)學公式在運行，這種數(shù)學公式的產(chǎn)生得力于神經(jīng)細胞的排列位置。例如，那些產(chǎn)生較小圖形以及較窄空間間隔的細胞都位于內(nèi)嗅皮層的頂部，而那些產(chǎn)生較大網(wǎng)格的細胞則位于底部的位置。

此外，那些產(chǎn)生相同大小與方位圖形的細胞似乎都聚集在一起，形成一個獨立單元。這些單元沿著內(nèi)嗅皮層上下方向分布的順序排列，并且所有這些單元從小到大，每隔一個產(chǎn)生圖形的大小都擴大1.4倍。這種倍數(shù)關(guān)系是一種簡單的數(shù)學公式，但又讓大腦容易記住空間位置。

另一方面，在小鼠大腦中，那些對應(yīng)相對盒子邊界不同位置的網(wǎng)格細胞，無規(guī)則地散布在整個內(nèi)嗅皮層結(jié)構(gòu)之中。如果這樣的結(jié)構(gòu)也存在于人的大腦之中，就會在人們無意識的情況下發(fā)揮導航功能，因為大腦中的網(wǎng)格細胞會在人們經(jīng)過任何地方時，自動記錄自己所處的位置。

此外，網(wǎng)格細胞也展示了人們大腦中的另一種數(shù)學能力，即對幾何圖形的辨識。因為數(shù)學家發(fā)現(xiàn)，六邊形是借助最小網(wǎng)格數(shù)量達成最高空間分辨率的最優(yōu)化圖形方案。

有了大腦中的位置細胞和網(wǎng)格細胞，無論人們是在旅游探險，還是在大街上行走，都不會迷路。沒有這些定位系統(tǒng)細胞，人們就很難生存。

當然，大腦定位系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)還有其他意義。奧基夫發(fā)現(xiàn)位置細胞為人類的認知帶來了革命，而莫澤夫婦發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格細胞不僅有助于了解記憶產(chǎn)生的過程，解釋人們經(jīng)常依據(jù)地點回憶起事件的現(xiàn)象，而且還能依靠這一發(fā)現(xiàn)提供防治阿爾茨海默氏癥（老年癡呆癥）的線索。