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路痴是谁的错?新科诺奖揭示大脑中的GPS 时间:2018-09-20

股票配资-炒股门户网站-股票配资网站-炒股配资门户-尚盈配资 www.sfrecs.com 作品来源:《赛先生》(微信公号:iscientists)

洪波(清华大学医学院教授)


你可能发现自己或者身边的一些朋友不善记路,俗称“路痴”。其实年纪大的人路痴更严重,如果不幸得了老年痴呆,找不着家是经常的。相反,我们都很佩服出租车司机,在城市里绕来绕去都不会迷路。刚刚发布的2014年诺贝尔生理与医学奖,授予了英国的神经生物学家约翰·奥基夫(John O'Keefe)和挪威生物学家迈-布里特·莫泽 (May-Britt Moser,女)和丈夫爱德华·莫泽(Edvard Moser)。他们的研究告诉我们,路痴不是你的错,很可能是你的空间定位系统,也就是大脑中的GPS出了问题。研究发现一些特殊的神经细胞构成了大脑中精巧的定位系统,充当你的内置GPS。


大脑中的GPS究竟在哪?如果我们有机会给“路痴”和出租车司机做个磁共振成像,就会发现他们的大脑有个地方可能不同,那就是“海马”(Hippocampus)。出租车司机的海马会比“路痴”的要大一些。这里的海马不是海洋鱼类,是我们大脑深部一个长得像海马的结构,是大脑存储记忆的转运站。你白天碰到的人和事,学到的知识,晚上睡觉时很可能会从大脑皮层转运到海马去收拾整理,整理完了再送回大脑皮层表面哪些遍布皱褶的地方,才算正式成为你的记忆巩固下来。今年诺贝尔生理奖的研究集中在海马和它临近的脑区,特别是连接海马和大脑皮层表面的内嗅皮层(Entorhinal Cortex)。


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看来海马和它周边的脑组织很重要,既管空间定位,又管记忆整理。大多数我们记得的人和事是和地点联系在一起的,例如前天我和家人去了什刹海,还划了船,这一记忆的片段首先是和什刹海这个地方关联在一起的。当然,地点也是由各种物体一起来定义的。如果什刹海是一片没有任何地标的平地,周围也什么都没有,那我们根本无法定义什刹海这个地方。这么讨论已经有点哲学意味了,总之我想说的是,空间定位和人类对客观世界的认知关系密切。这种密切的关系深藏在海马之中。一个听起来很完美的假设是,我们对世间万物的认知可能都是被放在一张“地图”上的,这张地图叫做“认知地图”,这张地图把客观物体和地点联系在一起,很可能还把不同物体之间的关系建立起来。在这里,记忆不再是散落的珍珠,一件件人和事都被编织在一起,成为记忆之网。有了认知地图和记忆之网,或者说有了海马,我们才知道自己身处何处。所以诺贝尔颁奖词说,这项研究解决了一个困扰哲学家和科学家几个世纪的问题,确实不为过。


从家去什刹海,这一路上要经过好几条路,要拐好几个弯。这一路上,我大脑中的GPS究竟是怎么工作的呢?首先它要知道出发点家的位置,然后根据我前进的方向和速度等运动信息来推算我走到哪里了,还要时刻记得终点什刹海在哪里。这种认路方法在认知心理学上叫做“路径整合”。你车里装的GPS就是这么认路的。那么海马体中有没有细胞是在报告你家的位置和什刹海的位置?有没有细胞是在报告你的运动方向和速度这些信息?当然有。


第一位获奖者John O’Keefe在1971年首先在大鼠的海马发现了“位置细胞”(Place Cell)。他把微电极植入大鼠的海马,让它们在迷宫里自由探索,发现某些海马细胞只对某个特定的位置敏感,只有大鼠跑到这个特定位置,例如某个角落时,这些细胞才有放电活动。如果有足够时间慢慢找,就会发现迷宫里每一个位置都有一群特定的海马细胞来负责,到了自己的“领地”,这群细胞就会放电。这个现象让O’Keefe非常激动,他认为如果每个地方都由位置细胞来表示,我们的大脑就有了一张认知地图,简单靠谱地把客观世界映射到了我们大脑里。从家到什刹海这一路上的每个地方都由一群位置细胞负责,当然不用害怕迷路了。其实刚开始只有O’Keefe一个人激动,科学界对此并不买账,于是他写了本书,就叫《海马—认知地图》,因为卖得不怎么样,他干脆把版权从牛津大学出版社买了回来,把书做成PDF放在网上免费下载,直到今天你仍然可以免费得到这本书(cognitivemap.net)。后来的故事大家都能猜到了,海马和位置细胞研究火得一塌糊涂,成了脑科学一个独立而兴旺的领域。


甚至这把火都烧到了我的实验室,有一位博士生在我的课上听到了位置细胞的故事,觉得太神奇了,一定要做这方面的课题,而且提出了一个很有趣的问题,如果老鼠倒着走,位置细胞还管用吗?如果管用,背后的机理是什么?这个问题听起来有点怪,其实背后的逻辑和启发意义很不错,遗憾的是其他实验室先拿到了结果,我们只记录到了O’Keefe发现的另一个实验现象:和位置细胞紧密联系的Theta振荡。O’Keefe得奖一半是因为位置细胞,另一半是因为发现了Theta振荡和位置细胞放电之间的相位关系,这个相位关系居然表示了老鼠在位置细胞领地里面的相对位置。故事发展到这里,我们已经惊叹于大脑的精妙绝伦。但更精妙的发现还在后面。



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2005年六月的一天,我在霍普金斯医学院图书馆翻看当期的《自然》杂志,第一次读到了Moser夫妇在内嗅皮层发现的网格细胞(Grid Cell)的文章,当时印象最深的是网格细胞排列齐整的六角形“领地”,就像很多个正三角形拼接起来的坐标纸。这些正三角形的每个顶点都是网格细胞感兴趣的位置,老鼠跑到这些位置,网格细胞就会放电。甚至大脑的内嗅皮层还存在不同间距的网格细胞,就像不同精细度的坐标纸。2007年Moser夫妇访问华东师范大学,我有幸和他们聊了聊,当时还和他们讨论了网格细胞所代表的网格间距问题,他们曾经试过一个18米长的直线迷宫,发现有些网格细胞可代表的网格间距达到2-3米。


网格细胞不仅形式上很漂亮,作用更了不起。假如你去了一个陌生的城市,要从车站找到你要去的酒店,因为没有来过这个城市,周围的景物和地标都是陌生的,你的海马中根本没有对应每个地点的位置细胞。怎么办?拿出地图,一边走一边看地图,这时候你大脑中的网格细胞就开始发挥作用了。它们要根据你走路的方向和速度,一步步推算你走了多远,到地图什么地方了,当然它们还需要一些帮手,例如负责表示你的行进方向和速度的细胞等。这个过程就是前面提到的“路径整合”。仅仅靠这个办法,你大概会迷路,或者你至少需要问问路才能达到目的地。因为这种方法每次估算都会有误差,走几个路口,你对方位和距离的判断就不准了。当然方向感强的人,可以通过地图标注核实眼前看到的是哪个商场、哪个咖啡厅,在大脑中临时“造出”几个负责这些特殊地标的位置细胞,帮助校正“路径整合“的误差。你从酒店回车站时,或者下次再来这个城市时,这些“造出来”的位置细胞就会大派用场,甩开地图也能找到地方了。



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Moser夫妇发现的网格细胞对于空间定位也很重要,特别是在陌生环境中就靠它了。网格细胞的发现再次证明科学是美的,简洁而有规律,Moser夫妇和O’Keefe分享诺贝尔奖当之无愧。有趣的是,位置细胞是在海马发现的,而网格细胞主要在海马旁边的内嗅皮层。后来她们还发现了网格细胞和位置细胞之间的联系,这个工作采用了非常精巧的光遗传学技术,发现了网格细胞对位置细胞的直接输入连接,这和理论预测非常一致,说明位置细胞很可能是通过网格细胞的整合产生的。值得一提的是,Moser实验室的一对中国夫妇——张生家和叶菁在这项工作中做出了重要贡献。


这个诺奖故事告诉我们,应该更关爱自己脑中的海马。研究发现海马非常脆弱,不能缺氧,睡觉打呼噜、颈动脉斑块都会导致海马缺氧萎缩,轻则“路痴”,重则老年痴呆。即使没有这些毛病,也应该保证充足的睡眠,留点时间让你的海马构建你的认知地图,以免迷失自己。


赛先生为知识分子公司旗下机构,由国际著名科学家文小刚、刘克峰担任主编

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