發現腦中“GPS”

文- 洪 波

你可能發現自己或身邊的一些朋友不善記路，俗稱“路癡”。年紀大的人路癡更嚴重，如果其中有人不幸得了老年癡呆，找不著家更是經常的。相反，我們很佩服出租車司機在城市里繞來繞去都不會迷路的本領。

路癡真相

2014年的諾貝爾生理學或醫學獎，授予了師徒三人——英國神經生物學家約翰·奧基夫（John O'Keefe）和挪威生物學家愛德華·莫澤（Edvard Moser）、梅-布里特·莫澤 （May-Britt Moser）夫婦。他們的研究告訴我們，路癡不是你的錯，很可能是你的空間定位系統，也就是大腦中的GPS出了問題。研究發現一些特殊的神經細胞構成了大腦中精巧的定位系統，充當你的內置GPS。

約翰·奧基夫

梅-布里特·莫澤（左）和愛德華·莫澤夫婦

大腦中的GPS究竟在哪？如果有機會給“路癡”和出租車司機做個磁共振成像，我們會發現他們的大腦有個地方——“海馬”（Hippocampus）可能不同，出租車司機的海馬比“路癡”的大些。這里的海馬不是海洋魚類，而是我們大腦深部一個長得像海馬的結構，它是大腦存儲記憶的轉運站。

世間萬物都在“認知地圖”上

白天碰到的人和事，學到的知識，晚上睡覺時很可能會從大腦皮層轉運到海馬，待海馬收拾整理完畢，再送回大腦皮層表面哪些遍布皺褶的地方，這才算正式成為記憶鞏固下來。今年諾貝爾生理學或醫學獎的研究集中在海馬和它臨近的腦區，特別是連接海馬和大腦皮層表面的內嗅皮層（Entorhinal Cortex）。

看來海馬和它周邊的腦組織很重要，既管空間定位，又管記憶整理。一般我們記得的人和事是和地點聯系在一起的，如前天我和家人去了什剎海，劃了船，這一記憶的片段首先是和什剎海這個地方關聯在一起的。當然，地點也是由各種物體一起來定義的。如果什剎海是一片平地，周圍也什么都沒有，那我們根本無法定義什剎海。也就是說，空間定位和人類對客觀世界的認知關系密切，這種密切的關系深藏在海馬之中。

一個聽起來很完美的假設是，我們對世間萬物的認知可能都被放在一張“地圖”上，即“認知地圖”，它把客觀物體和地點聯系在一起，很可能還把不同物體之間的關系建立起來。在這里，記憶不再是散落的珍珠，一件件人和事都被編織在一起，成為記憶之網。有了認知地圖和記憶之網，或者說有了海馬，我們才知道自己身處何處。所以諾貝爾頒獎詞說，這項研究解決了一個困擾哲學家和科學家幾個世紀的問題，確實不為過。

《海馬-認知地圖》引起大“火”

從我家去什剎海，一路上要經過好幾條路，拐好幾個彎。這一路上，我大腦中的GPS是怎么工作的？首先，它要知道出發點家的位置，然后根據我前進的方向和速度等運動信息來推算我走到哪里了，還要時刻記得終點什剎海在哪里。這種認路方法在認知心理學上叫“路徑整合”。車里的GPS就是這么認路的。那么，海馬體中有沒有細胞在報告家的位置和什剎海的位置？有沒有細胞在報告運動方向和速度這些信息？當然有。

1971年，獲獎者約翰·奧基夫首先在大鼠的海馬發現了“位置細胞”（Place Cell）。他把微電極植入大鼠的海馬，讓大鼠們在迷宮里自由探索，發現某些海馬細胞只對某個特定的位置敏感，只有大鼠跑到這個特定位置時，這些細胞才有放電活動。

如果有足夠時間慢慢找，就會發現迷宮里每一個位置都有一群特定的海馬細胞負責，到了自己的“領地”，這群細胞就會放電。這個現象讓奧基夫非常激動，他認為如果每個地方都由位置細胞來表示，我們的大腦就有了一張認知地圖，簡單靠譜地把客觀世界映射到了我們大腦里。

大腦中的位置細胞

對于位置細胞，其實剛開始只有奧基夫一個人激動，科學界對此并不買賬。于是他寫了一本書——《海馬-認知地圖》，因書賣得不怎么樣，他干脆把版權從牛津大學出版社買了回來，把書做成PDF放在網上供大家免費下載，直到今天，你仍然可以從cognitivemap.net上免費得到這本書。后來海馬和位置細胞研究火得一塌糊涂，成了腦科學一個獨立而興旺的領域。

甚至這把“火”都燒到了我的實驗室，有位博士生在我的課上聽到位置細胞的故事，覺得太神奇了，一定要做這方面的課題，而且提出了一個很有趣的問題，如果老鼠倒著走，位置細胞還管用嗎？如果管用，背后的機理是什么？這個問題聽起來有點怪，其實背后的邏輯和啟發意義很不錯，遺憾的是其他實驗室先拿到了結果，我們只記錄到了奧基夫發現的另一個實驗現象：和位置細胞緊密聯系的Theta振蕩。

奧基夫得獎一半是因為位置細胞，另一半是因為發現了Theta振蕩和位置細胞放電之間的相位關系，這種相位關系居然表示了老鼠在位置細胞領地里的相對位置。故事發展到這里，我們已驚嘆于大腦的精妙絕倫。但更精妙的發現還在后面。

網格細胞與“路徑整合”

2005年6月的一天，我在霍普金斯醫學院圖書館翻看當期的《自然》雜志，第一次讀到了莫澤夫婦在內嗅皮層發現網格細胞（Grid Cell）的文章，當時印象最深的是網格細胞排列齊整的六角形“領地”，像很多個正三角形拼接起來的坐標紙。這些正三角形的每個頂點都是網格細胞感興趣的位置，老鼠跑到這些位置，網格細胞就會放電。甚至大腦的內嗅皮層還存在不同間距的網格細胞，就像不同精細度的坐標紙。

2007年莫澤夫婦訪問華東師范大學，我有幸和他們討論了網格細胞所代表的網格間距問題，他們曾經試過一個18米長的直線迷宮，發現有些網格細胞可代表的網格間距達到2～3米。

網格細胞不僅形式很漂亮，作用更了不起。假如你去了一個陌生城市，要從車站找到要去的酒店，周圍的景物和地標都是陌生的，你的海馬中根本沒有對應每個地點的位置細胞，怎么辦？拿出地圖，一邊走一邊看地圖，這時你大腦中的網格細胞就開始發揮作用了。

網格細胞根據你走路的方向和速度，一步步推算你走了多遠，到地圖什么地方了，當然它們還需要一些幫手，如負責表示你的行進方向和速度的細胞等。這個過程就是前面提到的“路徑整合”。僅靠這個辦法，你大概會迷路，或者你至少需要問問路才能到達目的地。因為每次估算都會有誤差，走幾個路口，你對方位和距離的判斷就不準了。

當然方向感強的人，可通過地圖標注核實眼前看到的是哪個商場、哪個咖啡廳，在大腦中臨時“造出”幾個負責這些特殊地標的位置細胞，幫助校正“路徑整合”的誤差。你從酒店回車站時，或者下次再來這個城市時，這些“造出來”的位置細胞就會大派用場，你甩開地圖也能找到地方了。

大腦中的網格細胞

網格細胞對于空間定位也很重要，特別是在陌生環境中就靠它了。網格細胞的發現再次證明科學是美的，簡潔而有規律，莫澤夫婦和奧基夫分享諾貝爾獎當之無愧。有趣的是，位置細胞是在海馬發現的，而網格細胞主要在海馬旁邊的內嗅皮層。

后來莫澤夫婦采用非常精巧的光遺傳學技術，發現了網格細胞對位置細胞的直接輸入連接，這和理論預測非常一致，說明位置細胞很可能是通過網格細胞的整合產生的。值得一提的是，莫澤實驗室的一對中國夫婦——張生家和葉菁在這項工作中做出了重要貢獻。

這個諾獎故事告訴我們，應更關愛自己腦中的海馬。因研究發現海馬非常脆弱，不能缺氧，睡覺打呼嚕、頸動脈斑塊都會導致海馬缺氧萎縮，輕則“路癡”，重則老年癡呆。即使沒有這些毛病，也應該保證充足的睡眠，留點時間讓你的海馬構建你的認知地圖，以免迷失自己。

延伸閱讀

那些獲得諾貝爾獎的夫妻檔

2014年諾貝爾生理學或醫學獎三位得主中，梅-布里特·莫澤博士和愛德華·莫澤博士是一對夫婦。實際上，在諾貝爾獎的歷史上，夫婦均獲獎的不乏其人。

開創夫妻同獲諾貝爾獎先河的是大名鼎鼎的居里夫婦。瑪麗·居里（法國物理學家、化學家）與皮埃爾·居里（法國物理學家）夫婦因對放射性現象的研究，共享了1903年諾貝爾物理學獎（居里夫人還因發現鐳和釙元素，提純鐳并研究了其性質及化合物而獲得1911年諾貝爾化學獎）。居里夫婦的大女兒和大女婿——伊雷娜·約里奧-居里和弗雷德里克·約里奧-居里夫婦因對人工放射性的開創性研究，共同獲得1935年諾貝爾化學獎。有趣的是，居里夫婦小女兒的丈夫亨利·拉波易斯也在1965年榮獲諾貝爾和平獎。

格蒂·科里（美國生物化學家）和卡爾·科里（美國生物化學家）夫婦，因發現糖代謝中的酶促反應，共同獲得1947年諾貝爾生理學或醫學獎。

貢納爾·默達爾（瑞典經濟學家、政治家）和阿爾瓦·米達爾（瑞典女政治家）夫婦則分別于1974年和1982年獲得諾貝爾經濟學獎、諾貝爾和平獎。