文 王俊雅

路癡的腦子缺什么？
—— 解碼大腦空間方位認知

文 王俊雅

2014年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎頒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)的細胞，即位置細胞與網(wǎng)格細胞的發(fā)現(xiàn)。

在1971年，當時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)，在動物活體的情況下，把電極插到動物的大腦中，可以看到電位的變化。當時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。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在某個特定位置經(jīng)過的時候，大鼠腦內(nèi)CA1部位神經(jīng)元活動頻率非常高。神經(jīng)元只是在這個特定位置放電，在其他的位置沒有任何活動。所以奧基夫就想到，可能是位置細胞構(gòu)成了我們大腦里關(guān)于外界環(huán)境的認知地圖。把所有的細胞結(jié)合起來，就構(gòu)成了布滿整個空間的認知地圖。

發(fā)現(xiàn)了位置細胞以后，帶來一個問題：為什么海馬中的神經(jīng)元會在特定位置活動？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，都會讓海馬的神經(jīng)元變成位置細胞。

2004年，莫澤夫婦做了一個實驗，基本設(shè)計和奧基夫的實驗相同，但他們發(fā)現(xiàn)，與海馬CA1的位置細胞相比，內(nèi)嗅皮層的細胞也同樣對位置有反應(yīng)，但并不像前者形成一對一的關(guān)系。到了2005年，莫澤教授想到了一點，他把任意兩個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)，他把這種細胞命名為網(wǎng)格細胞，并總結(jié)出網(wǎng)格細胞放電的模式：每一個細胞放電點和其他的放電點的頂點連接起來是一個六邊型的結(jié)構(gòu)。同時，網(wǎng)格細胞也不受光線環(huán)境的影響。在整個內(nèi)嗅皮層的排列中，小尺度的網(wǎng)格細胞和大尺度的網(wǎng)格細胞的排列非常有規(guī)則，尺度一點一點在增加。

關(guān)于網(wǎng)格細胞和位置細胞是什么關(guān)系，有一種理論認為：不同尺度的網(wǎng)格細胞同時給海馬CA1的一個區(qū)域投射一個信息，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，此時就會形成一個位置細胞。所以網(wǎng)格細胞給位置細胞提供了一個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)格細胞的功能意義是什么？比如動物去尋找食物，一旦找到這個食物，就會以最短的距離快速回到窩里，而不是原路返回。如果只有位置細胞的話，就只有路徑的信息，而沒有計算起點和終點之間的直線距離的信息。而網(wǎng)格細胞的作用，正是在于整合這一路徑，計算出兩點之間的距離。

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

位置細胞和網(wǎng)格細胞的發(fā)現(xiàn)，不僅揭示了大腦對空間方位認知的神經(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)的分級處理，來實現(xiàn)一些看似復(fù)雜的高級認知功能的。目前來說，對大腦空間方位認知功能的研究結(jié)果還不能夠直接轉(zhuǎn)化為對相關(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知機能，進而拓展臨床治療的思路。