2014年諾貝爾生理學或醫學獎：在大腦中內置的“GPS”

我們如何知道自己的位置？我們如何從一個地方去到另一個地方？為何當我們在下次重復同樣的路線時能夠迅速查找到這些信息，我們在大腦中是如何對它們進行存儲的？今年的諾貝爾生理學或醫學獎獲得者們發現了大腦內的定位系統，大腦中一種內置的“GPS”，它讓我們能夠在空間中實現定位，揭示了高等認知能力的細胞層面機制。

1971年，約翰·奧基夫發現了構成這一體系的第一個組成部分。他在大腦一個名叫“海馬體”的區域發現了一種特殊的神經細胞，當實驗小鼠在房間內的某一特定位置時其中一部分這樣的細胞總是顯示激活狀態。而當小鼠在房間內的其他位置時，另外一些細胞則顯示激活狀態。奧基夫認為這些是“位置細胞”，它們構成了小鼠對所在房間的地圖。

30多年后，在2005年，梅·布萊特·莫索爾和愛德華·莫索爾夫婦發現大腦定位機制的另外一項關鍵組成部分。他們識別出另外一種神經細胞，他們將其稱之為“網格細胞”，這些細胞產生一種坐標體系，從而讓精確定位與路徑搜尋成為可能。他們隨后進行的研究揭示了位置細胞以及網格細胞是如何讓定位與導航成為可能的。

約翰·奧基夫以及梅·布萊特·莫索爾和愛德華·莫索爾夫婦的發現解答了一個困擾哲學家和科學家們長達數個世紀的謎團—大腦究竟如何創建一個有關自身周圍空間位置的地圖？我們又究竟如何能夠在復雜的環境中找到方向？

對位置的感知以及判斷方向的能力是我們生存的基礎。對位置的感知構成我們在環境中對自身所處地點的知覺。而在行進的過程中，我們將基于運動狀態給出的距離判斷與有關先前位置的信息結合了起來。

有關位置與路徑尋找的問題長期以來困擾著哲學家和科學家們。200多年前，德國哲學家康德提出我們擁有一些所謂“先驗知識”，它們獨立于人的經驗而存在。他將空間的概念視為思維的內在屬性之一，這是我們感知世界的唯一的方式。隨著20世紀中葉行為心理學的發展，人們開始用試驗方法探究這些問題的答案。當愛德華·莫澤觀察小鼠在迷宮中的前行方式時，他發現小鼠可以學會如何判斷路徑，并據此提出了“認知地圖”的概念，這種認知地圖形成于大腦中，讓它們得以找到前行的路徑。但問題依然存在—這種地圖究竟如何在大腦內形成？

約翰·奧基夫被有關大腦如何控制行為的問題深深吸引。20世紀60年代末，他決定采用神經生理的方法對這一問題進行研究。他對在房間內自由跑動的小鼠大腦狀況進行觀察，在記錄小鼠大腦內一個被稱作“海馬體”區域單個神經細胞信號的過程中，奧基夫注意到當小鼠位于房間內某一特定位置時，一部分神經細胞會被激活（圖1）。他確認這些“位置細胞”并非僅僅在簡單的接收視覺信息輸入，而是在構建一張關于周圍環境的內部地圖。約翰·奧基夫認為海馬體會產生大量的地圖，這些地圖在生物所處不同環境中時，由大量神經細胞共同作用下形成。因此，生物體對環境的記憶，可以用海馬體中神經細胞特定激活組合的方式來進行存儲。

莫索爾夫婦更進一步認為，他們在臨近海馬體的大腦另一個名叫“內嗅皮層”的區域有了意外發現。他們注意到，當小鼠經過排列為六邊形的多個地點時，其大腦中的部分神經細胞發生激活（上頁圖2）。這些細胞都會對特定的空間模式做出反應，它們整體上構成所謂“網格細胞”。這些細胞組成一個坐標系統，從而讓空間導航成為可能。內嗅皮層區域的其他細胞能夠判斷自身頭部對準的方向以及房間的邊界位置，這些細胞都與位于海馬體內的位置細胞相互協調，構成一條完整的回路。這一回路系統構成了一個復雜而精細的定位體系，它是我們大腦的“內置GPS”（圖3）。

近期采用大腦成像技術進行的研究，以及對接受神經外科手術的病患進行的研究結果，已經提供了確鑿的證據，證明類似的位置與網格神經細胞同樣存在于人類的大腦之中。患有阿爾茨海默綜合癥的病患，他們大腦的海馬體以及內嗅皮層區域常常會在患病過程的早期遭受影響，這樣的病人常常會發生迷路，并且難以識別周圍環境。對于大腦定位系統機制的了解或許將在未來幫助這類患者改善由于空間記憶受損而造成的困擾。對大腦定位系統機制的發現顛覆了我們此前的認識，顯示了特定的細胞群相互協同工作如何能夠達成更加高等的認知功能。這一成果打開了理解其他認知過程的窗口，如記憶、思維以及進行規劃的能力。