文 王俊雅

路癡的腦子缺什么？
—— 解碼大腦空間方位認(rèn)知

文 王俊雅

2014年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了愛爾蘭裔美國暨英國籍神經(jīng)科學(xué)家約翰?奧基夫教授，以及挪威心理學(xué)家、神經(jīng)科學(xué)家愛德華?莫澤與邁?布利特?莫澤教授夫婦，以表彰他們的重要發(fā)現(xiàn)：發(fā)現(xiàn)構(gòu)成大腦定位系統(tǒng)的細(xì)胞，即位置細(xì)胞與網(wǎng)格細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)。

在1971年，當(dāng)時(shí)還非常年輕的奧基夫教授發(fā)明了多通道在體記錄技術(shù)，在動(dòng)物活體的情況下，把電極插到動(dòng)物的大腦中，可以看到電位的變化。當(dāng)時(shí)奧基夫把電極插入到大鼠海馬的CA1部位，想觀察神經(jīng)元的活動(dòng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在某個(gè)特定位置經(jīng)過的時(shí)候，大鼠腦內(nèi)CA1部位神經(jīng)元活動(dòng)頻率非常高。神經(jīng)元只是在這個(gè)特定位置放電，在其他的位置沒有任何活動(dòng)。所以奧基夫就想到，可能是位置細(xì)胞構(gòu)成了我們大腦里關(guān)于外界環(huán)境的認(rèn)知地圖。把所有的細(xì)胞結(jié)合起來，就構(gòu)成了布滿整個(gè)空間的認(rèn)知地圖。

發(fā)現(xiàn)了位置細(xì)胞以后，帶來一個(gè)問題：為什么海馬中的神經(jīng)元會(huì)在特定位置活動(dòng)？顯然，肯定是來自外界的感覺信息的傳遞。除了視覺信息之外，還有數(shù)步伐等等手段，這些組合成了路徑整合信息，都會(huì)讓海馬的神經(jīng)元變成位置細(xì)胞。

2004年，莫澤夫婦做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，基本設(shè)計(jì)和奧基夫的實(shí)驗(yàn)相同，但他們發(fā)現(xiàn)，與海馬CA1的位置細(xì)胞相比，內(nèi)嗅皮層的細(xì)胞也同樣對(duì)位置有反應(yīng)，但并不像前者形成一對(duì)一的關(guān)系。到了2005年，莫澤教授想到了一點(diǎn)，他把任意兩個(gè)放電的位置用線連起來，發(fā)現(xiàn)是非常規(guī)則的正三角型的結(jié)構(gòu)，他把這種細(xì)胞命名為網(wǎng)格細(xì)胞，并總結(jié)出網(wǎng)格細(xì)胞放電的模式：每一個(gè)細(xì)胞放電點(diǎn)和其他的放電點(diǎn)的頂點(diǎn)連接起來是一個(gè)六邊型的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，網(wǎng)格細(xì)胞也不受光線環(huán)境的影響。在整個(gè)內(nèi)嗅皮層的排列中，小尺度的網(wǎng)格細(xì)胞和大尺度的網(wǎng)格細(xì)胞的排列非常有規(guī)則，尺度一點(diǎn)一點(diǎn)在增加。

關(guān)于網(wǎng)格細(xì)胞和位置細(xì)胞是什么關(guān)系，有一種理論認(rèn)為：不同尺度的網(wǎng)格細(xì)胞同時(shí)給海馬CA1的一個(gè)區(qū)域投射一個(gè)信息，疊加的電位引起該區(qū)域的放電，其他的區(qū)域得不到疊加，此時(shí)就會(huì)形成一個(gè)位置細(xì)胞。所以網(wǎng)格細(xì)胞給位置細(xì)胞提供了一個(gè)最基本的位置信息的輸入源，通過整合形成了位置信息。那網(wǎng)格細(xì)胞的功能意義是什么？比如動(dòng)物去尋找食物，一旦找到這個(gè)食物，就會(huì)以最短的距離快速回到窩里，而不是原路返回。如果只有位置細(xì)胞的話，就只有路徑的信息，而沒有計(jì)算起點(diǎn)和終點(diǎn)之間的直線距離的信息。而網(wǎng)格細(xì)胞的作用，正是在于整合這一路徑，計(jì)算出兩點(diǎn)之間的距離。

海馬本身的作用在于記憶，奧基夫當(dāng)時(shí)做實(shí)驗(yàn)也是為了研究記憶的機(jī)制。我們每天經(jīng)歷過的所有的事情在大腦中都會(huì)形成情景記憶，其中有兩個(gè)信息是最關(guān)鍵的：一個(gè)是地點(diǎn)，在什么地方，第二個(gè)是事件，發(fā)生了什么事。這兩者配合起來就是我們的情景記憶。

位置細(xì)胞和網(wǎng)格細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)，不僅揭示了大腦對(duì)空間方位認(rèn)知的神經(jīng)過程，而且還告訴我們，大腦是如何通過一些底層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的分級(jí)處理，來實(shí)現(xiàn)一些看似復(fù)雜的高級(jí)認(rèn)知功能的。目前來說，對(duì)大腦空間方位認(rèn)知功能的研究結(jié)果還不能夠直接轉(zhuǎn)化為對(duì)相關(guān)腦疾病的醫(yī)療手段，但了解大腦的工作方式可以幫助我們了解某些疾病如何影響患者的認(rèn)知機(jī)能，進(jìn)而拓展臨床治療的思路。