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人類幾乎所有的意識(shí)經(jīng)驗(yàn)都與空間感相關(guān)聯(lián)：享用美食的餐廳、每天的回家路、收納茶杯的地方、哪張椅子最舒適等等?？臻g感告知我們當(dāng)下身處何處，我們?cè)ミ^何地，我們打算去往何方。腦如何產(chǎn)生這種感覺，如何形成記憶或引路導(dǎo)航多年來仍然是個(gè)未解之謎。1971年約翰?奧基夫（John O’Keefe）和喬納森?陀思妥夫斯基（Jonathan Dostrovsky）在《腦研究》（Brain Research）雜志上發(fā)表了標(biāo)志性的研究論文，首次一窺哺乳類腦的神經(jīng)元如何產(chǎn)生空間感。

奧基夫和陀思妥夫斯基在這篇簡(jiǎn)短的通信文章中介紹道，他們利用數(shù)年前發(fā)明的微電極記錄大鼠腦中的電信號(hào)，即動(dòng)作電位，他們讓動(dòng)物探索架高的平臺(tái)，微電極則置于腦表面之下一個(gè)被稱作海馬區(qū)的區(qū)域，選擇這一區(qū)域基于過去的經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)人或是嚙齒類動(dòng)物的海馬區(qū)被損毀，記憶和導(dǎo)航能力就會(huì)受損。實(shí)驗(yàn)中的動(dòng)物也不進(jìn)行特定的任務(wù)，它們自由進(jìn)食、梳毛、飲水、睡眠，自然地在區(qū)域內(nèi)活動(dòng)。研究者發(fā)現(xiàn)了引人注目的結(jié)果：海馬區(qū)的部分神經(jīng)元活動(dòng)和動(dòng)物在物理空間中的位置緊密相關(guān)。大鼠活動(dòng)于大部分區(qū)域時(shí)，這些神經(jīng)元并不會(huì)激活，而當(dāng)大鼠在平臺(tái)中特定的一小塊區(qū)域則會(huì)激活（圖1）?？紤]到每個(gè)神經(jīng)元在特定位置會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作電位，奧基夫和陀思妥夫斯基稱這些神經(jīng)元為位置細(xì)胞，把神經(jīng)元產(chǎn)生最多活動(dòng)的環(huán)境區(qū)域稱為該神經(jīng)元的位置野。

圖1 發(fā)現(xiàn)位置細(xì)胞：它們代表了大鼠在空間中的位置。（a）奧基夫和陀思妥夫斯基在1971年的論文中記錄了大鼠海馬區(qū)神經(jīng)元的電活動(dòng)（這些電信號(hào)包括動(dòng)作電位），圖示中大鼠在探索一個(gè)由帷幕環(huán)繞三邊的架高的平臺(tái)。（b）研究者發(fā)現(xiàn)一些神經(jīng)元只有在特定區(qū)域時(shí)才會(huì)激活。他們命名這些神經(jīng)元為位置細(xì)胞，而神經(jīng)元激活的區(qū)域稱為位置細(xì)胞的位置野。圖示展現(xiàn)了位置細(xì)胞的位置野，定義為當(dāng)動(dòng)物位于該區(qū)域時(shí)，對(duì)應(yīng)的神經(jīng)元會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作電位

在奧基夫和陀思妥夫斯基重要的研究發(fā)現(xiàn)之前，研究者們?cè)岢黾僭O(shè)：動(dòng)物通過探索能夠在環(huán)境特征（如環(huán)境中的標(biāo)志）和自己的位置間建立內(nèi)在的模型——或者說一個(gè)外在世界的“認(rèn)知地圖”。這一認(rèn)知地圖讓動(dòng)物能夠靈活地在環(huán)境中行動(dòng)，而位置細(xì)胞很可能是認(rèn)知地圖的基礎(chǔ)。假若如此，位置細(xì)胞并非單單對(duì)特定的感覺線索做出反應(yīng)（譬如這一環(huán)境區(qū)域特有的視覺特征），這些細(xì)胞的活動(dòng)更可能代表了動(dòng)物所處位置的更為抽象的綜合特征總和。進(jìn)一步的試驗(yàn)支持這種可能性：一些位置細(xì)胞在黑暗中依舊保持活躍，同時(shí)無論動(dòng)物所面向何方，它們都會(huì)保持活動(dòng)。

記憶和導(dǎo)航研究領(lǐng)域從此開始火熱起來，最終位置細(xì)胞在腦中扮演的角色，從動(dòng)物空間位置的信號(hào)傳輸者，拓展到了動(dòng)物空間記憶的基礎(chǔ)。奧基夫和陀思妥夫斯基使用的電極記錄手段成為幾十年來研究海馬區(qū)神經(jīng)元電信號(hào)的范式，在一系列環(huán)境和行為學(xué)測(cè)試中穩(wěn)定而可靠地記錄了位置細(xì)胞的電活動(dòng)。通過改變環(huán)境的形狀或是標(biāo)志特征，研究發(fā)現(xiàn)位置細(xì)胞能夠“學(xué)習(xí)”環(huán)境變化并對(duì)之做出反應(yīng)。舉例來說，當(dāng)大鼠先探索一個(gè)方形盒子，再探索一個(gè)圓形區(qū)域，一些位置細(xì)胞的位置野會(huì)被關(guān)閉、啟動(dòng)，或是移動(dòng)到新的空間位置。這種活動(dòng)變化中產(chǎn)生了一組獨(dú)特的位置細(xì)胞，它們?cè)趧?dòng)物探索的每個(gè)不同環(huán)境中都保持激活狀態(tài)，這使動(dòng)物能夠識(shí)別目前所處的環(huán)境，并在再訪時(shí)能夠回憶起來。

奧基夫和陀思妥夫斯基的原始研究展示了8個(gè)位置細(xì)胞的數(shù)據(jù)。50年來的技術(shù)進(jìn)步讓研究者能夠同時(shí)記錄數(shù)十至成千上萬個(gè)位置細(xì)胞，由此得以探究需要多少位置細(xì)胞共同運(yùn)作以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和記憶。舉例來說，一組位置細(xì)胞能夠一起在數(shù)天內(nèi)維持穩(wěn)定的位置預(yù)估，即使改變其中一個(gè)細(xì)胞都能夠改變他們的活動(dòng)方式。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)手段也揭示了位置細(xì)胞各式各樣的反應(yīng)。1971年，奧基夫和陀思妥夫斯基已經(jīng)隱約發(fā)現(xiàn)并非所有位置細(xì)胞都對(duì)動(dòng)物的空間位置起反應(yīng)，之后的研究工作發(fā)現(xiàn)位置細(xì)胞信號(hào)和許多（非空間）變量相關(guān)，譬如特定的氣味、聲音的頻率和社會(huì)伙伴。因此位置細(xì)胞信號(hào)并不只代表空間位置，也象征著一段經(jīng)驗(yàn)的其他特征，這強(qiáng)烈提示海馬區(qū)神經(jīng)元是產(chǎn)生和儲(chǔ)存特定經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)。

在過去數(shù)十年中，科學(xué)家在靈長(zhǎng)類、小鼠、蝙蝠和鳥類中都發(fā)現(xiàn)了不同版本的位置細(xì)胞，提示進(jìn)化中記憶和導(dǎo)航的保守機(jī)制正是以這些細(xì)胞為基礎(chǔ)。此外，奧基夫和陀思妥夫斯基在海馬區(qū)中發(fā)現(xiàn)位置細(xì)胞也讓研究者進(jìn)一步探究周圍腦區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)了內(nèi)嗅皮質(zhì)（毗鄰海馬的另一腦區(qū)）能夠感知?jiǎng)游锏奈恢?、方向和運(yùn)動(dòng)速度，以及物體的位置和時(shí)間的流動(dòng)。大鼠和小鼠神經(jīng)元對(duì)方向的感知相似，而果蠅中也有類似的發(fā)現(xiàn)，這提示導(dǎo)航背后的神經(jīng)元系統(tǒng)或在進(jìn)化上具有古老的共同起源。哺乳動(dòng)物的海馬區(qū)和內(nèi)嗅皮質(zhì)二者相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了建造認(rèn)知地圖所需要的概念元素，由此哺乳動(dòng)物能夠靈活地在世界上導(dǎo)航、記憶并規(guī)劃路線。

至今為止，許多研究描述了位置細(xì)胞活動(dòng)和動(dòng)物行為間的關(guān)聯(lián)性?，F(xiàn)在，研究者能夠操縱活動(dòng)動(dòng)物位置細(xì)胞的活動(dòng)，揭示位置細(xì)胞活動(dòng)、記憶和導(dǎo)航間的潛在因果關(guān)系。舉例來說，人工激活通常在喂水獎(jiǎng)勵(lì)位置附近產(chǎn)生反應(yīng)的位置細(xì)胞，能夠激發(fā)動(dòng)物在沒有獎(jiǎng)勵(lì)區(qū)域內(nèi)的舔舐行為。基因、分子和細(xì)胞學(xué)工具的進(jìn)步無疑會(huì)繼續(xù)引領(lǐng)記憶和導(dǎo)航領(lǐng)域走向新方向，而這一切起源于位置細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)。

資料來源 Nature