顧凡及

2014年10月6日瑞典諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)宣布把當(dāng)年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予擁有英美雙重國(guó)籍的神經(jīng)科學(xué)家奧基夫（John OKeefe）和挪威神經(jīng)科學(xué)家莫澤夫婦（May-Britt Moser和Edvard I.Moser），以表彰他們?cè)诎l(fā)現(xiàn)腦的定位系統(tǒng)細(xì)胞——位置細(xì)胞和網(wǎng)格細(xì)胞上所做的杰出貢獻(xiàn)。

網(wǎng)格細(xì)胞之所以引起計(jì)算神經(jīng)科學(xué)家的特別興趣，是因?yàn)樗鼈冊(cè)趧?dòng)物身處其周圍環(huán)境中的多個(gè)位置時(shí)，都會(huì)被激活。導(dǎo)致網(wǎng)格細(xì)胞最強(qiáng)激活的各個(gè)位置，處于其環(huán)境兩維平面上由同樣大小正三角形鋪滿的網(wǎng)格的交點(diǎn)上，從而為動(dòng)物在其環(huán)境中的行動(dòng)提供了某種坐標(biāo)系統(tǒng)。特別是，雖然這種坐標(biāo)系統(tǒng)的空間尺度表征受到學(xué)習(xí)影響。然而其看上去像晶體一般的構(gòu)造樣式，并不是由外部世界給予的感覺(jué)線索決定的，而是由腦本身產(chǎn)生的。因此，研究網(wǎng)格細(xì)胞的起源和特性，對(duì)于認(rèn)識(shí)腦高級(jí)中樞內(nèi)的回路是怎樣進(jìn)行計(jì)算的，特別是人和動(dòng)物如何在環(huán)境中擁有位置感和導(dǎo)航功能，有著重要的意義。

網(wǎng)格細(xì)胞輸入怎樣影響

位置細(xì)胞的形成和組織

由網(wǎng)格細(xì)胞放電野構(gòu)成的網(wǎng)格狀圖形，都可以用下列三個(gè)參數(shù)來(lái)表征：每個(gè)網(wǎng)格的大小，也就是相鄰格點(diǎn)之間的距離；網(wǎng)格的朝向，也就是整個(gè)網(wǎng)格圖形相對(duì)于某個(gè)參考軸的偏離程度；空間相位，也就是網(wǎng)格圖形相對(duì)于某個(gè)外界參考點(diǎn)的距離。在內(nèi)嗅皮層第1I層中。相鄰網(wǎng)格細(xì)胞的網(wǎng)格大小和網(wǎng)格朝向是類似的，并且從背內(nèi)側(cè)到腹外側(cè)，網(wǎng)格的大小單調(diào)增加。在左右兩側(cè)內(nèi)嗅皮層的不同區(qū)域中，網(wǎng)格的朝向有可能不同，而空間相位是隨機(jī)分布的。

大多數(shù)的網(wǎng)格細(xì)胞是內(nèi)嗅皮層第Ⅱ?qū)雍偷冖髮又械腻F體細(xì)胞；而海馬結(jié)構(gòu)中的位置細(xì)胞（主要在CAl區(qū)）。大部分有空間選擇性的輸入，可能都來(lái)自內(nèi)嗅皮層的網(wǎng)格細(xì)胞。這里有兩種可能性。一種是投射到同一位置細(xì)胞的網(wǎng)格細(xì)胞，都有同樣大小的網(wǎng)格，那么海馬位置細(xì)胞的性質(zhì)就會(huì)類似于網(wǎng)格細(xì)胞，然而實(shí)際情況并非如此。另一種情況是。如果這些網(wǎng)格細(xì)胞有相同的相位，但網(wǎng)格的大小和朝向各不相同，那么這樣線性疊加所得到的放電野，其重復(fù)周期就會(huì)非常大，而遠(yuǎn)超過(guò)任何實(shí)驗(yàn)環(huán)境的大小。實(shí)際上所能看到的是，位置細(xì)胞只有單一的放電野。由于海馬細(xì)胞可能要接受來(lái)自內(nèi)嗅皮層背內(nèi)側(cè)一腹外側(cè)軸上超過(guò)25%部位的輸入，因此后一種可能性更大。

2006年羅爾斯（E.T.Rolls）等人從理論上說(shuō)明，只要不同的網(wǎng)格細(xì)胞有各種各樣的朝向、相位和大小，那么通過(guò)相互競(jìng)爭(zhēng)的赫布學(xué)習(xí)過(guò)程（即通過(guò)學(xué)習(xí)改變突觸聯(lián)結(jié)強(qiáng)度的過(guò)程。當(dāng)突觸前后的神經(jīng)元經(jīng)常同時(shí)放電時(shí)，這種突觸的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度就得到加強(qiáng)），具有隨機(jī)聯(lián)結(jié)權(quán)重的網(wǎng)格細(xì)胞會(huì)聚模型就能產(chǎn)生位置野（即能記錄到位置細(xì)胞放電的環(huán)境空間的局限范圍）。同年，索爾斯塔德（T.Solstad）等人的模型則對(duì)適當(dāng)數(shù)量（10-50個(gè)）有相近相位而大小和朝向不同的網(wǎng)格細(xì)胞輸出進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訖?quán)線性總和。以產(chǎn)生位置野。如果網(wǎng)格細(xì)胞的相位也有很大差異，那么由總和的結(jié)果就應(yīng)得到有多處峰值且空間分布不規(guī)則的放電野。這兩種模型孰是孰非現(xiàn)在尚無(wú)定論。次年，弗蘭齊烏斯（M.Franzius）等人構(gòu)造了一個(gè)雙層線性網(wǎng)絡(luò)，其輸入單元是100個(gè)仿真網(wǎng)格細(xì)胞的單元排成六邊形陣列，它們的輸出模式呈高斯分布，并加上一些隨機(jī)因素以使這種輸出顯得更為逼真。然后對(duì)輸入做最大稀疏化的線性變換，結(jié)果得到類似于位置野這樣的局域化表征。他們?cè)诜抡鏁r(shí)所采用的最大稀疏化假設(shè)是有生物學(xué)依據(jù)的。事實(shí)上，海馬細(xì)胞的發(fā)放模式要比內(nèi)嗅皮層細(xì)胞稀疏，他們因此認(rèn)為稀疏編碼可能是由網(wǎng)格細(xì)胞造成位置細(xì)胞的一種既簡(jiǎn)單又有效的方式。稀疏編碼是一種只需要較少數(shù)量神經(jīng)元的強(qiáng)烈活動(dòng)就能表征對(duì)象的編碼，不同的對(duì)象由不同的子集來(lái)編碼。

當(dāng)然，關(guān)于位置細(xì)胞是否確實(shí)按此模型組織起來(lái)的問(wèn)題，現(xiàn)在還沒(méi)有結(jié)論。例如有人認(rèn)為，在某個(gè)腦半球中的所有網(wǎng)格均有相同的朝向，而不同的大小也是呈離散分布的。要是這樣的話，僅僅把網(wǎng)格細(xì)胞的輸出加以線性總和，就得不出位置細(xì)胞的特性。有關(guān)不同網(wǎng)格細(xì)胞是否有多種朝向和連續(xù)的大小分布的問(wèn)題。還有待進(jìn)一步研究。

還需要說(shuō)明一點(diǎn)，早期的一些模型研究認(rèn)為，內(nèi)嗅皮層的邊界細(xì)胞（一類只在特定方向上離動(dòng)物特定距離處有環(huán)境邊界時(shí)才發(fā)生放電反應(yīng)的神經(jīng)元）可能是位置選擇性的成因。大量的海馬位置野靠近角落和邊界處，就支持了這一觀點(diǎn)。而且初生大鼠有功能正常的邊界細(xì)胞，這也可能為位置細(xì)胞的成熟要早于網(wǎng)格細(xì)胞找到解釋，而這是網(wǎng)格細(xì)胞會(huì)聚模型所解釋不了的。很可能邊界細(xì)胞對(duì)嬰幼期位置細(xì)胞的形成有重要貢獻(xiàn)，而當(dāng)動(dòng)物長(zhǎng)大后，網(wǎng)格細(xì)胞的輸入起越來(lái)越重要的作用，后者可能對(duì)位置表征的度量性起重要作用。

最后還有一個(gè)問(wèn)題：這些網(wǎng)絡(luò)都是前饋網(wǎng)絡(luò)，但現(xiàn)在已經(jīng)知道，在位置細(xì)胞和網(wǎng)格細(xì)胞或邊界細(xì)胞之間都有雙向聯(lián)結(jié)。雖然網(wǎng)格細(xì)胞或邊界細(xì)胞對(duì)形成位置細(xì)胞可能起重要作用，但是位置細(xì)胞反過(guò)來(lái)也可能直接或間接地對(duì)內(nèi)嗅皮層中的空間地圖有影響。當(dāng)海馬失活時(shí)，網(wǎng)格細(xì)胞的六邊形發(fā)放模式也會(huì)消失。這一點(diǎn)倒是和后面要講的抑制網(wǎng)絡(luò)模型需要外界興奮性輸入的觀點(diǎn)是一致的，不過(guò)這也不排除海馬的反傳對(duì)網(wǎng)格細(xì)胞其他功能有影響的可能性。

網(wǎng)格細(xì)胞怎樣形成網(wǎng)格式放電野

現(xiàn)有的關(guān)于網(wǎng)格細(xì)胞怎樣形成網(wǎng)格式放電野的模型，都基于一個(gè)共同假設(shè)，即內(nèi)嗅皮層中的細(xì)胞都是根據(jù)某些特異性輸入細(xì)胞所提供的速度和方向信號(hào)，來(lái)進(jìn)行路徑積分計(jì)算的。路徑積分是指動(dòng)物通過(guò)速度向量對(duì)時(shí)間積分所得到的相對(duì)于某個(gè)參考點(diǎn)（例如路徑出發(fā)點(diǎn)）的空間位移的向量過(guò)程。此定義參見莫澤夫婦的近作，因此筆者認(rèn)為path integration應(yīng)譯為“路徑積分”而非“路徑整合”。此外，還要根據(jù)外界感覺(jué)輸入進(jìn)行校正。以防止誤差積累。這些模型大致上可分為兩大類：一類是網(wǎng)格細(xì)胞形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中的遞歸性聯(lián)結(jié)在群體層次上進(jìn)行處理：另一類是在單個(gè)神經(jīng)元的層次上執(zhí)行路徑積分。

網(wǎng)絡(luò)模型

這類模型認(rèn)為。網(wǎng)格模式是由某種“連續(xù)吸引子”動(dòng)力學(xué)而產(chǎn)生的。所謂連續(xù)吸引子是由穩(wěn)態(tài)構(gòu)成的流形。在有遞歸性聯(lián)結(jié)的網(wǎng)絡(luò)上加上某種程度的全局性抑制。最初的隨機(jī)活動(dòng)模式就會(huì)以一些相互有聯(lián)結(jié)的細(xì)胞為中心，自發(fā)地產(chǎn)生有組織的峰活動(dòng)。對(duì)網(wǎng)格細(xì)胞來(lái)說(shuō)，這樣可能就有一組發(fā)放峰值點(diǎn)?？梢栽O(shè)想，當(dāng)動(dòng)物在環(huán)境中四處走動(dòng)時(shí)，活動(dòng)的峰值點(diǎn)也會(huì)隨之轉(zhuǎn)換。有人認(rèn)為轉(zhuǎn)換和路徑積分的機(jī)制有關(guān)，此時(shí)方向和速度的變化都會(huì)連續(xù)地影響細(xì)胞之間的有效聯(lián)結(jié)。

在莫澤夫婦發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格細(xì)胞后，富斯（M.C.Fuhs）和圖雷茨基（D.S.Touretzky）首先建立了內(nèi)嗅皮層的一個(gè)模型，他們把內(nèi)嗅皮層當(dāng)作是某種按拓?fù)湓瓌t組織起來(lái)的網(wǎng)絡(luò)，在這種網(wǎng)絡(luò)中相鄰的細(xì)胞有類似的網(wǎng)格相位。由此，環(huán)境中的每處位置都可以在細(xì)胞層次上用某種網(wǎng)格模式來(lái)表征。雖然這種模型也能解釋吸引子動(dòng)力學(xué)如何產(chǎn)生周期性結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，但是后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)相鄰的網(wǎng)格細(xì)胞并沒(méi)有類似的網(wǎng)格相位。

為了克服上述問(wèn)題，麥克諾頓（B.L.McNaughton）等人提出了一種非拓?fù)淠Ｐ?，其中有若干較小的網(wǎng)格細(xì)胞集群，這些網(wǎng)格細(xì)胞之間有隨機(jī)分布的赫布聯(lián)結(jié)，而沒(méi)有拓?fù)浣M織。在該模型中，某個(gè)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)只在發(fā)育過(guò)程中對(duì)腦起“訓(xùn)練師”（tutor）的作用，它對(duì)較小的隨機(jī)分布的赫布聯(lián)結(jié)的網(wǎng)格細(xì)胞集合進(jìn)行訓(xùn)練。對(duì)后者的輸入是混雜的，這樣有類似相位的神經(jīng)元就不一定要彼此相鄰，但是彼此之間通過(guò)具有可塑性的突觸聯(lián)結(jié)起來(lái)。由于這種拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)格的周期性，內(nèi)嗅皮層網(wǎng)絡(luò)的突觸矩陣就變成環(huán)形的了，他們認(rèn)為正是這種環(huán)形聯(lián)結(jié)使得網(wǎng)格模式在運(yùn)動(dòng)時(shí)有空間周期性。為了使該模型能隨著動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)軌跡改變這些表征，就要在模型中加進(jìn)另一層其發(fā)放能夠被位置、頭的方向和運(yùn)動(dòng)速度所調(diào)制的細(xì)胞。后來(lái)在內(nèi)嗅皮層的III-VI層中果然發(fā)現(xiàn)了具有這些性質(zhì)的神經(jīng)元川。

單神經(jīng)元模型

諸多的單神經(jīng)元模型都有一個(gè)共同的出發(fā)點(diǎn)。即網(wǎng)格細(xì)胞就像位置細(xì)胞一樣，也表現(xiàn)出某種“θ相位前移”。這就是說(shuō)，當(dāng)動(dòng)物通過(guò)某個(gè)放電野時(shí)，網(wǎng)格細(xì)胞的發(fā)放時(shí)刻相對(duì)于某個(gè)θ波局部場(chǎng)電位會(huì)逐漸前移。而相比之下，當(dāng)大鼠處在放電野中的固定位置不動(dòng)時(shí)，相應(yīng)網(wǎng)格細(xì)胞的發(fā)放相對(duì)于局部場(chǎng)電位波形是相位鎖定的。奧基夫等人曾用兩個(gè)頻率在θ頻譜范圍里的膜電位振蕩之間的干涉來(lái)解釋這種前移，兩個(gè)頻率差和動(dòng)物運(yùn)動(dòng)速度成正比。此干涉模式可分解成一個(gè)其頻率為兩基頻之均值的快振蕩，以及另一個(gè)慢的調(diào)制波，后者的相位和大鼠的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，從而反映其在運(yùn)動(dòng)軌跡中所處位置。這種干涉可以看成是細(xì)胞的胞體內(nèi)有θ節(jié)律的振蕩子和若干個(gè)樹突振蕩子相互作用的結(jié)果。樹突振蕩子的頻率在細(xì)胞胞體振蕩頻率之上還要加上某個(gè)正比于大鼠速度在某個(gè)特征最優(yōu)方向上投影的量。把這些線性干涉模式的慢調(diào)制綜合起來(lái)，假定它們的方向又正好差60°的整數(shù)倍。就會(huì)得出三角形的網(wǎng)格地圖。這類模型也被稱為振蕩干涉（osciHatory interference，OI）模型。

振蕩干涉模型還有兩個(gè)變種，一種認(rèn)為干涉是把來(lái)自不同樹突的信號(hào)相整合的結(jié)果，另一種則認(rèn)為干涉模式是由具不同放電野的若干細(xì)胞產(chǎn)生的。

兩大類網(wǎng)格模型的優(yōu)劣比較

到目前為止，以上兩大類模型雖然都得到某些實(shí)驗(yàn)的支持，但是都還存在若干不能解釋的問(wèn)題，因而難下定論。

振蕩干涉模型能解釋網(wǎng)格細(xì)胞的某些時(shí)間特性，例如這些模型和網(wǎng)格細(xì)胞有內(nèi)在的θ頻率的膜電位振蕩是一致的。也能解釋內(nèi)在振蕩的頻率沿內(nèi)嗅皮層從背側(cè)到腹側(cè)逐漸減?。划?dāng)大鼠運(yùn)動(dòng)速度增大時(shí)，網(wǎng)格細(xì)胞的發(fā)放頻率也增大，而與之相關(guān)的是網(wǎng)格大小減小等。此類模型還能預(yù)言θ相位前移，這是目前吸引子模型尚未能解釋的。但此模型在解釋網(wǎng)格細(xì)胞的空間周期性方面遇到了嚴(yán)重挑戰(zhàn)。首先，某些動(dòng)物（如果蝠和獼猴）并沒(méi)有θ節(jié)律的局域場(chǎng)電位和膜電位振蕩，卻依然有網(wǎng)格細(xì)胞。其次，按照這一模型。網(wǎng)格形的放電野應(yīng)該和網(wǎng)格細(xì)胞膜電位中的θ振蕩同時(shí)發(fā)生，但是在實(shí)驗(yàn)中未觀察到這一現(xiàn)象。此類模型近年來(lái)雖然得到不少改進(jìn)。但問(wèn)題依然不少。網(wǎng)絡(luò)模型由于或明或暗地假設(shè)有不連續(xù)的模塊，因此能解釋網(wǎng)格大小沿內(nèi)嗅皮層的背側(cè)到腹側(cè)離散地做跳躍式增大。可是如前所述，它在解釋網(wǎng)格細(xì)胞的某些時(shí)間特性方面遇到了困難。此外，迄今還未能直接觀察到內(nèi)嗅皮層神經(jīng)元中波的干涉，也未能直接觀察到內(nèi)嗅皮層網(wǎng)絡(luò)中的吸引子動(dòng)力學(xué)。

網(wǎng)格細(xì)胞模型研究中的若干重要問(wèn)題

從上面關(guān)于網(wǎng)格細(xì)胞模型研究之鳥瞰中，可以提出幾個(gè)重要問(wèn)題做進(jìn)一步討論。

網(wǎng)格細(xì)胞的連續(xù)吸引子模型

涉及網(wǎng)格細(xì)胞連續(xù)吸引子的諸模型認(rèn)為，可以用在網(wǎng)格細(xì)胞構(gòu)成的局部回路中所進(jìn)行的計(jì)算，來(lái)解釋網(wǎng)格模式的形成問(wèn)題。由于當(dāng)動(dòng)物進(jìn)入新環(huán)境時(shí)，網(wǎng)格細(xì)胞集群在網(wǎng)格的相位、朝向和大小上都有協(xié)調(diào)一致的變化，并且不同細(xì)胞在其放電野的相互關(guān)系方面始終維持不變，并和感覺(jué)輸入無(wú)關(guān)，因此一些科學(xué)家認(rèn)為，網(wǎng)格細(xì)胞是以內(nèi)部有相互聯(lián)結(jié)的神經(jīng)元集群來(lái)發(fā)揮作用的。其活動(dòng)模式在吸引子狀態(tài)所組成的連續(xù)統(tǒng)上變動(dòng)。

早在1977年日本數(shù)學(xué)神經(jīng)科學(xué)家甘利俊一就證明，如果在某個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)元排成環(huán)狀，并且神經(jīng)元之間的興奮性相互聯(lián)結(jié)隨距離而逐漸減弱。抑制性聯(lián)結(jié)隨距離而逐漸增強(qiáng)（神經(jīng)元之間相互聯(lián)結(jié)權(quán)重的這種分布模式之一就是在視覺(jué)外周神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中廣泛使用的“墨西哥草帽”權(quán)重分布，因?yàn)橄袷且豁斈鞲缗Ｗ兴鞑菝钡慕孛鎴D而得名），那么該網(wǎng)絡(luò)就能維持某種穩(wěn)定的局域化活動(dòng)模式。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格細(xì)胞在沒(méi)有光刺激或其他感覺(jué)刺激時(shí)仍能維持其活動(dòng)模式，表明它有某種自持機(jī)制，無(wú)怪乎在網(wǎng)格細(xì)胞發(fā)現(xiàn)之后就有了一些嘗試，企圖解釋其在空間上有周期性發(fā)放結(jié)構(gòu)的連續(xù)吸引子模型。不同的模型采取不同形式的權(quán)重一相位分布模式。

雖然具有“墨西哥草帽”聯(lián)結(jié)權(quán)重的網(wǎng)格細(xì)胞模型網(wǎng)絡(luò)也確實(shí)能產(chǎn)生局域化的峰值點(diǎn)，但是實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，內(nèi)嗅皮層中的絕大多數(shù)網(wǎng)格細(xì)胞之間并沒(méi)有興奮性聯(lián)結(jié)，反而通過(guò)中間神經(jīng)元有很強(qiáng)的抑制性聯(lián)結(jié)，并且這種聯(lián)結(jié)權(quán)重具有類似于“全或無(wú)”的性質(zhì)，因此更類似于類階躍聯(lián)結(jié)權(quán)重分布。具有類階躍聯(lián)結(jié)權(quán)重分布的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)有外界的興奮性驅(qū)動(dòng)時(shí)，就自組織產(chǎn)生穩(wěn)定的六邊形活動(dòng)模式。仿真表明，越是增加輸入強(qiáng)度，這種模式就越明顯。這種網(wǎng)格模式對(duì)持續(xù)的外界興奮性輸入之依賴性的預(yù)言，也為后來(lái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)。當(dāng)向海馬注入GABA能激動(dòng)劑時(shí)，就消除了海馬向內(nèi)嗅皮層的反饋投射。其結(jié)果是網(wǎng)格細(xì)胞的發(fā)放率大大降低，并伴隨著網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的逐漸消失。但是這些實(shí)驗(yàn)只能說(shuō)是對(duì)該模型的支持，還不能下結(jié)論說(shuō)，這就是網(wǎng)格細(xì)胞產(chǎn)生網(wǎng)格模式放電野的機(jī)制。這類模型還存在著另外一些缺點(diǎn)，例如都要求平移不變性，即如果一對(duì)相距為d的網(wǎng)格細(xì)胞之間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度為W，那就要求任何相距為d的網(wǎng)格細(xì)胞之間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度都必須為W，但是實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)并不滿足這一條件。

網(wǎng)格細(xì)胞的適應(yīng)模型

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，初生大鼠在4周之前，其內(nèi)嗅皮層第Ⅱ?qū)又械倪f歸抑制性網(wǎng)絡(luò)（指網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)單元都有到網(wǎng)絡(luò)中某些其他單元的輸出的網(wǎng)絡(luò)）還不具備功能，然而這時(shí)已可觀察到有網(wǎng)格細(xì)胞之雛形存在。這就提示，在沒(méi)有遞歸網(wǎng)絡(luò)的情況下，依然有可能產(chǎn)生網(wǎng)格細(xì)胞?？肆_普夫（E.Kmpff）和特里夫斯（A.Treves）據(jù)此提出了一種由有適應(yīng)性的神經(jīng)元所構(gòu)成的前向聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)模型。適應(yīng)性引起前向聯(lián)結(jié)強(qiáng)度的改變，由此使得其中單個(gè)神經(jīng)元的發(fā)放模式表現(xiàn)出六邊形。在開始時(shí)，前向聯(lián)結(jié)的權(quán)重是隨機(jī)的，神經(jīng)元在環(huán)境中各處也是隨機(jī)發(fā)放的。經(jīng)過(guò)一小段時(shí)間之后，一些神經(jīng)元由于適應(yīng)性而使其活動(dòng)受到壓抑，這樣當(dāng)神經(jīng)元有發(fā)放時(shí)，只有活動(dòng)的前向聯(lián)結(jié)才得到加強(qiáng)，而不活動(dòng)的聯(lián)結(jié)都被壓抑掉。如果神經(jīng)元不發(fā)放，那么突觸聯(lián)結(jié)也就沒(méi)有任何變化。這樣一來(lái)，當(dāng)大鼠在環(huán)境中到處漫游時(shí)，激活的神經(jīng)元之間的突觸聯(lián)結(jié)逐漸發(fā)生變化，而對(duì)每個(gè)神經(jīng)元來(lái)說(shuō)，就在廣大的不產(chǎn)生任何發(fā)放的區(qū)域中產(chǎn)生了有某種規(guī)則模式的放電野。

在最簡(jiǎn)單的適應(yīng)模型中，涌現(xiàn)出來(lái)的網(wǎng)格細(xì)胞的朝向是隨機(jī)的，這和實(shí)驗(yàn)事實(shí)不符，但是這一缺點(diǎn)可以通過(guò)引入興奮性的遞歸側(cè)枝來(lái)加以克服，因此適應(yīng)模型和吸引子模型并非水火不容。很可能在發(fā)育的早期。動(dòng)物是靠適應(yīng)和前向可塑性產(chǎn)生空間周期性的放電野，隨后才發(fā)展出遞歸聯(lián)結(jié)，形成連續(xù)吸引子網(wǎng)絡(luò)。

結(jié)語(yǔ)

莫澤夫婦在論述網(wǎng)格細(xì)胞計(jì)算研究的重要性時(shí)總結(jié)說(shuō)：“在對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的研究中，并非所有的領(lǐng)域都已成熟到足以在微回路的層次上搞清楚其中進(jìn)行的計(jì)算。對(duì)于哺乳動(dòng)物，我們已認(rèn)識(shí)到感覺(jué)系統(tǒng)早期階段的皮層回路功能。對(duì)這些系統(tǒng)我們可以跟蹤從感受器開始到初級(jí)感覺(jué)皮層，復(fù)雜程度越來(lái)越高的網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)。這些研究闡明了神經(jīng)元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何從外部世界抽取特征。但是，關(guān)于腦如何在皮層的高級(jí)非感覺(jué)區(qū)產(chǎn)生它自己的密碼。還迷霧重重。網(wǎng)格細(xì)胞這一為位置所調(diào)制的內(nèi)嗅皮層神經(jīng)元的發(fā)現(xiàn)，在這一深藏不露的未知區(qū)域中打開了一條通路。網(wǎng)格細(xì)胞產(chǎn)生發(fā)放的位置，在動(dòng)物所處的環(huán)境中確定了遍布其間的某種周期性的三角形或者說(shuō)六邊形的陣列。這種發(fā)放陣列不因動(dòng)物運(yùn)動(dòng)速度和方向的經(jīng)常變化而改變，說(shuō)明網(wǎng)格細(xì)胞是腦對(duì)空間表征的一種度量。因?yàn)榉烹娨暗南窬w一樣的結(jié)構(gòu)是在神經(jīng)系統(tǒng)自身內(nèi)部產(chǎn)生的，網(wǎng)格細(xì)胞可能給科學(xué)家以機(jī)會(huì)，直接研究皮層回路中某些最基本的運(yùn)算原則。”

當(dāng)然，對(duì)網(wǎng)格細(xì)胞和相關(guān)細(xì)胞的神經(jīng)生物學(xué)研究是這種研究的基礎(chǔ)，然而由于問(wèn)題的復(fù)雜性，對(duì)于一些目前還缺乏直接證據(jù)的機(jī)制提出種種可能的假設(shè)，并通過(guò)建模和仿真跟可以直接觀察的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，以支持或否定某些假設(shè)，并指導(dǎo)設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)。對(duì)于認(rèn)識(shí)這種計(jì)算的機(jī)制也是必不可少的。兩者必須緊密結(jié)合。

幸運(yùn)的是，莫澤夫婦有很深的數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)和編程造詣，因此他們?cè)趯?shí)驗(yàn)研究的過(guò)程中也一直關(guān)注著通過(guò)建模和仿真研究這種計(jì)算的機(jī)制問(wèn)題，他們本身就是這方面的身體力行者。其他一些學(xué)者也在這方面提出了種種可能的模型，已經(jīng)成為當(dāng)前有關(guān)網(wǎng)格細(xì)胞研究的不可或缺的一個(gè)重要方面。有關(guān)網(wǎng)格細(xì)胞計(jì)算模型的文獻(xiàn)正如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)。限于本文的篇幅和筆者的水平不能在此詳述。感興趣的讀者從文獻(xiàn)中可以找到近年來(lái)有關(guān)某些重要專題的比較全面的綜述和大量參考文獻(xiàn)。當(dāng)然莫澤夫婦自己所寫的有關(guān)綜述更是必須參考的文獻(xiàn)。