大腦中的GPS

楊先碧

我們如何知道自己身處何方？我們如何找到回家的路？科學家發現，我們的大腦中有一個“GPS”定位和導航系統。這一發現獲得了2014年諾貝爾生理學或醫學獎。

在日常生活中我們注意到，有的人認路能力非常強，有的人卻是典型的“路盲”。無論認路能力差異有多大，但大多數人都能夠認識回家的路。那么，我們是怎么知道自己在哪里？我們又如何從一個地方到另一個地方？我們如何在大腦中儲存信息以便于下一次能夠找到相同的路徑？到底是什么在指引我們呢？最新的科學研究發現，人的大腦中有一個GPS（定位導航系統）。2014年諾貝爾生理學或醫學獎就是頒給了發現了大腦中GPS奧秘的三位科學家：美國科學家約翰·奧基夫和挪威科學家莫索爾夫婦布里特和愛德華。前者是發現了讓人們知道自己身在何處的“位置細胞”，后者則是發現了幫助人們記憶和規劃行走路線的“網格細胞”。如果這兩種細胞都失靈的話，我們就真的找不到回家的路了。

識別位置

小白鼠因為體積小、食量小，養起來比較方便，而且很聰明，經過訓練后可以完成一些獨特的任務，因而受到科學家們的青睞。科學家常常以飼養的小白鼠作為研究對象，讓小鼠走迷宮就是一種常見的科學研究方法。

1971年，亦即43年前，美國科學家奧基夫就開始訓練小鼠走迷宮。他還采用一種特別的手術，在小鼠的大腦里安裝了一些微型電極。動物在進行一些日常活動時，大腦中的神經細胞會放電；參與的活動不同，放電的細胞就不同。大腦細胞產生的這些電信號也稱“神經信號”，是大腦指揮身體其他部位所發出的信號。奧基夫在小鼠大腦中安裝的電極，可以記錄大腦細胞活躍時放出的電信號，并把這些電信號發送到記錄儀上。

結果，奧基夫的實驗發現，這些小鼠走到一個有特殊標記的位置時，大腦中的一些細胞十分活躍，而到了下一個有特殊標記的位置時，另外一些細胞變得很活躍。奧基夫認為，小鼠大腦中的這些細胞就是幫助大腦定位的位置細胞；在所有位置細胞的共同努力合作下，小鼠可以記住迷宮內各個有特殊標記的位置，并利用對這些位置的記憶描繪出一張迷宮“地圖”。由于小鼠的大腦和我們人類的大腦有相似之處，因此，科學家推測：人的大腦里也有“位置細胞”。

奧基夫的進一步研究還發現，小鼠的所有“位置細胞”都集中在大腦“海馬區”的某個特殊區域。海馬區在外形上有些像大海中的海馬，是大腦中的重要區域，負責學習和記憶。記憶有很多種，不同的細胞負責不同的記憶，位置細胞負責的就是我們對周圍環境的空間記憶。

尋找路線

然而，光有不同位置所形成的“地圖”還是不夠的，如果大腦只能記住一個個不同的位置，我們還是不可能在縱橫交錯的道路中找到回家的路。也就是說，只有把這些位置按照合理的順序連接起來，我們才能找到正確的路線，才不會走冤枉路或迷路。那么，是什么細胞來幫助大腦處理位置細胞所獲得的信息呢？這個問題迷惑了科學家整整34年。

直到2005年，挪威科學家莫索爾夫婦才發現，大腦中的GPS還有另外一種細胞，那就是可以記憶和描繪路線的細胞。莫索爾夫婦的研究方法還是讓小鼠走迷宮。因為迷宮有許多岔口，如果只記住特殊的位置，記不住岔口處要走的正確方向，那就可能進入“死胡同”，就像我們有時會在十字路口迷路一樣。

莫索爾夫婦發現，小鼠經過幾次的嘗試和學習，居然可以判斷出岔路口的正確路線。因此他們認為，小鼠已經具備了在大腦中描繪正確路線圖的能力。顯然，這種能力并不來源于“位置細胞”。電極的測試結果也是如此：小鼠在岔路口選擇路線時，大腦活躍的細胞并不在位置細胞所在的海馬區，而是在附近一個叫“內嗅皮層”的區域。由于這些細胞活躍時放電的圖樣像網格，莫索爾夫婦沒有像他人期待的那樣稱這些細胞為“導航細胞”，而是稱它們為“網格細胞”。進一步的研究還發現，網格細胞不僅可以辨別運動的方向，還可以辨別運動的距離、道路的邊界。也就是說，網格細胞可以讓我們找到一條合理的路線和運動軌跡，從而不會迷路，也不會越出道路。

為什么從“位置細胞”的發現，再到“網格細胞”的發現相隔了整整34年？這就是思維定勢讓科學家經歷了一次又一次的失敗。由于海馬區是公認的主管記憶的區域，當奧基夫在海馬區發現位置細胞后，科學家總是在海馬區忙乎，企圖在海馬區再找到識別路線的細胞，結果沒有想到謎底是在海馬區之外的“內嗅皮層”。

定位導航系統

如果說“位置細胞”幫我們描繪一張張“地圖”，那么“網格細胞”則幫我們設計一條條“路線”。如果說位置細胞幫助我們選擇起點、途經點和終點等位置，那么網格細胞則把這些位置串起來，起到導航的作用。兩者合起來，就構成了我們大腦中的定位導航系統。定位導航能力是動物大腦的基本能力之一。如果不具備這樣的能力，動物就不能在自然界中主動地參與覓食、求偶和育幼等活動，動物也就很難由低級向高級進化，人類也就不會出現在地球上。

俗話說：老馬識途。然而，老人們并不一定識途。有的爺爺奶奶到了一定年歲后特別容易迷路，他們一出門就找不到回家的路了。這是因為他們患上了“老年癡呆癥”，更為科學的說法是“阿爾茨海默癥”。得了這種病就如同汽車的GPS系統失靈了。在弄清楚包括位置細胞和網格細胞在內的識路細胞的作用之后，科學家希望能借此開發出一些增強和改善這些細胞功能的藥物，重啟老年癡呆患者大腦中的GPS，讓他們重新擁有識路的能力。因此，研究大腦中的GPS系統不僅在醫學上具有理論價值，更具有非常實際的用途。

在危機重重的戰場上，如果不能按照正確的路線前進，隨時都可能面臨生命危險。因此，強烈的空間感和識路能力對戰士來說特別重要。科學家希望未來不是通過基因改造的方法，而是用藥物刺激的方法，能夠升級健康人大腦中的定位系統，打造出具有極強空間感和特殊識路能力的超級戰士。這些超級戰士能夠隨時發現環境中的異常變化，找到一條能夠有效避免潛在危險的合理路線，順利地完成偵查、爆破、誘敵、殺敵等作戰任務。