2014诺贝尔奖——大脑中的GPS

我们怎么知道自己身在何方？我们怎么储存信息，重返故地时立刻找到路？今年的生理学或医学奖获得者发现了大脑中的定位系统，一台内置GPS。

去年，美德三位科学家因为发现了细胞“运输”的秘密，获得当年诺贝尔生理学或医学奖。今年，又有三位科学家因为发现了大脑中的“定位”细胞，获得诺贝尔生理学或医学奖。

昨天，瑞典卡罗琳医学院在斯德哥尔摩宣布，将2014年诺贝尔生理学或医学奖授予拥有美国和英国国籍的科学家约翰•奥基夫，以及两位挪威科学家梅－布里特•莫泽和爱德华•莫泽，以表彰他们发现大脑定位系统细胞的研究。

诺贝尔奖评选委员会在声明中说：“我们如何知道自己在哪里？我们如何从一个地方到另一个地方？我们如何在大脑中储存信息，以便下一次能够找到相同的路径？”今年获奖者的研究成就展示了较高认知功能的细胞基础。他们发现了大脑的定位系统，即“内部的GPS”，从而使人类能够在空间中定位自我。

三位科学家用了34年时间 发现大脑GPS

三位科学家发现的大脑定位系统细胞，包含两部分的发现：1971年，奥基夫发现了这种定位系统的第一个组成部分，他称之为“位置细胞”；30多年后，莫泽夫妇于2005年发现了大脑定位系统的另一关键构成——“网格细胞”。

1971年，奥基夫在老鼠的海马区首先发现了位置细胞。他把电极记录器安置在大鼠的大脑海马区，然后让老鼠在一个陌生的房间自由走动。当老鼠走到一个位置时，特定位置的细胞就放电，以后不管老鼠是什么运动，一旦再次走到这个位置，同样的那个细胞就会放电。这种情况发生在其他细胞上，每个细胞好像对应着某个特定的位置，给予了每个坐标一个记忆似的。当把这只老鼠放到另外一个新房间，它仍会自动将新房间重新绘制一遍。奥基夫总结出，这些细胞就是“位置细胞”，它们在大脑中形成了关于房间的地图。

奥基夫对这个发现十分喜欢，但他也意识到，除了位置细胞，大脑中必然还存在着其他作用的“导航细胞”，比如计算距离、感知方向等。

2005年，莫泽夫妇发现了大脑定位系统的另一关键构成——“网格细胞”。他们发现，在大脑的内嗅皮层里还有另一种神经细胞，当老鼠经过特定地点的时候就会激活，而这些特殊地点组成的六角形网络，每个“网格细胞”以独特的空间模式激活。所有网格细胞联合起来形成一个坐标系，使得空间导航成为可能。

网格细胞和内嗅皮层里的其他细胞合作识别动物头部的方向以及屋子的边界，并和海马体内的位置细胞形成网络。这一神经回路组成了一套综合定位系统，就像大脑内置的GPS。

脑研究有三个层次 神经网络的研究最难啃

三诺贝尔奖评选委员会说，奥基夫和莫泽夫妇的研究成果解决了困扰科学界几个世纪的难题，揭示了大脑如何创建周围空间的“地图”，如何在复杂环境中定位路径。对大脑定位系统的认知，可能帮助我们进一步了解人类大脑空间记忆的中枢机制，开启人类对记忆、思考等认知过程理解的新篇章。

昨天，中国科学院院士、神经生物学家段树民在接受钱报记者采访中说，这项研究成果非常重要，它最大的帮助在于，揭示了大脑的又一种功能，让人类对大脑的研究更进一步。

段院士也是搞大脑记忆研究的。大脑的记忆功能有很多种，其中定位细胞跟空间记忆有关，而他研究的是学习功能的记忆。他告诉钱报记者，对大脑的研究，目前有三个层次，最基本的是对大脑细胞分子水平的研究，现在这方面的研究很普遍，也比较容易；另一种是心理认知方面的研究，不需要知道大脑细胞是怎么活动的。而目前最难的，则是对大脑神经网络的研究。

这次诺贝尔生理学或医学奖获得者对定位细胞的发现，就是对大脑神经网络研究的新成果。“从发现一个细胞的活动开始，进而研究一群细胞是怎样相互联络、相互作用的，它们在一个网络中是如何运作的，形成一种什么样的功能，并要找到运作的规律。”段院士说，对脑科学的研究，世界上发达国家都很重视，中国也在加大投入。段院士目前牵头做的一个课题就叫做《情感与记忆的神经环路基础》，是国家自然科学基金的一个重要研究项目。

 

大脑是怎样帮我们定位的

大脑是怎样帮我们定位的

人存于世，位置感和导航能力是不可或缺的。位置感使我们能够感知自己在环境中所处的位置。在导航时，我们的位置感会与基于运动和对先前位置认知所形成的距离感相互联系起来。

关于地点和导航的问题困扰了哲学家和科学家许久许久。200多年前，德国哲学家康德认为一些精神能力是独立于经验的先天知识。他认为空间概念是意识中既有的原则，人们会通过，也必须通过这些原则感知世界。

到20世纪中叶，行为科学的出现使得这些问题得以通过实验手段进行解答。当爱德华•托尔曼（Edward Tolman）观察迷宫中大鼠的运动时，他发现它们能够学习如何导航，并提出它们脑中形成了一副“认知地图”，使它们找到自己要去的路。但问题并未完全解决：这个“地图”在大脑中的表征是什么？

约翰•奥基夫以及空间位置

在20世纪60年代晚期，约翰•奥基夫对于大脑如何控制行为和决策这一问题十分着迷，并常试图用神经生理学的方式来解决这一问题。当他记录在屋内自由跑动的大鼠的大脑海马体内单个神经细胞的信号时，奥基夫发现，当大鼠经过特定位置时，某些神经细胞会被激活。他发现这些“位置细胞”不仅仅接受视觉信号输入，而且还会在脑中绘制周围环境的地图。奥基夫总结道，通过在不同环境中被激活的不同的位置细胞，海马体能生成很多地图。因此，关于环境的记忆能以位置细胞活性的特定组合形式被存在海马体中。

迈-布里特•莫泽和爱德华•莫泽找到了定位系统

迈-布里特•莫泽和爱德华•莫泽在绘制移动中的大鼠的海马体连接时，在附近的内嗅皮层中发现了一种让人惊异的活动模式。当小鼠通过六角网格中的某些位置时，内嗅皮层中的某些固定的细胞会被激活。每个细胞都对应着某个特定的空间格局，这些“网格细胞”共同建立出一个可以进行空间导航的坐标系统。它们和内嗅皮层中其他负责辨识头部方向和房间边界的细胞一起，与海马体中的位置细胞共同组成了神经回路。这个回路系统在大脑中建立了一套综合定位系统，一个内置的GPS。

人类大脑里的“地图”

根据最近的脑成像技术调查，以及对接受神经外科手术患者的研究都显示，位置细胞同样存在于人体中。在早期阶段阿尔兹海默氏疾病的早期阶段，患者的海马体和内嗅皮质经常会受到影响，以致这些患者经常无法辨别周边环境并且迷路。了解大脑的位置系统或许可以因此帮助我们了解这种疾病如何对患者的空间记忆丧失造成影响。

这一对大脑位置系统的发现代表了我们进一步认识大脑特化细胞如何协同合作，并执行更高水平的认知功能。它为我们理解认知过程，比如记忆、思维与计划开辟了新的途径。