探讨:大脑是如何感知位置和导航的?让你远离“路痴”行列!
2016/1/11 医学界神经病学频道

    

     大脑是人体最重要的也是最神秘的器官,感知位置和导航的能力是大脑最基本的功能之一,可大脑究竟是如何做到这一点的?

     来源:三维解剖

     大脑是人体最重要的也是最神秘的器官,感知位置和导航的能力是大脑最基本的功能之一,可大脑究竟是如何做到这一点的,长期以来一直是科学家试图搞清楚的问题。2014年诺贝尔奖生理学或医学奖颁给了三位在这方面有重要突破的科学家,约翰·奥基夫、梅-布里特·莫泽和爱德华·莫泽。

     2014年诺贝尔奖生理学或医学奖颁给了三位在这方面有重要突破的科学家,他们是英国伦敦大学学院的约翰·奥基夫(johno'keefe,1939-)、挪威的梅-布里特·莫泽(may-brittmoser,1963-)和爱德华·莫泽(edvardmoser,1962-)。他们的工作揭示了大脑在定位和导航方面的重大秘密,引领着神经生理学界发现了大脑中自带的定位导航系统。

     大脑是人体最重要的也是最神秘的器官,感知位置和导航的能力是大脑最基本的功能之一,可大脑究竟是如何做到这一点的,长期以来一直是科学家试图搞清楚的问题。2014年诺贝尔奖生理学或医学奖颁给了三位在这方面有重要突破的科学家,他们是英国伦敦大学学院的约翰·奥基夫(johno'keefe,1939-)、挪威的梅-布里特·莫泽(may-brittmoser,1963-)和爱德华·莫泽(edvardmoser,1962-)。他们的工作揭示了大脑在定位和导航方面的重大秘密,引领着神经生理学界发现了大脑中自带的定位导航系统。

     这世上有些事情看似很简单,细想一下却可能很是深奥,比如我们回家,我们的大脑究竟是如何做到让我们顺利地回家的?因为要想走回家,有许多需要处理的事项:需要知道此刻自身所在的位置,需要知道家在哪里,需要确定往哪儿走,何时拐弯,何时停下……在这个过程中,大脑是如何感知身处何地的?大脑是如何选定从一个地点到另一个地点路线的?大脑又是如何将这些信息储存起来以便用于下次引路的?给人们留下了许多谜团,一旦破解了这些谜团,也就弄清了大脑定位和导航的机制了。

     破解第一个谜团的人是奥基夫,他发现大脑中有一种“位置细胞”能够在经过某些地方时指出所在位置。那是1970年,奥基夫和他的团队在做一个实验。他们把电极记录器安置在小鼠大脑的海马体区域,然后让小鼠在一个陌生的环境里自由行动。结果发现小鼠的海马体区域有一种特殊的神经细胞会对它所在的位置产生选择性兴奋,比如当小鼠靠近一个轮子,或是到达门前的位置时才会被激活。这种特殊的神经细胞就是“位置细胞”,它以选择性激活的方式赋予那些特定的位置以特殊的标识,让大脑能够记住身体曾经到过的那些地方,于是在小鼠的脑中形成了一幅关于周边环境的“地图”。

     “位置细胞”的发现提示了一个充满希望的研究方向,引领科学家们去寻找其他类型的与导航相关的神经细胞。几年之后果然发现了“头部方向细胞”,这是一种能够识别头部朝向的神经细胞,它通过选择性兴奋来标识方向。比如:当头部朝向东方的时候,一组细胞会兴奋;而头部转向西方时,则是另一组细胞兴奋。“头部方向细胞”就以这样的方式为身体指示前进的方向。

     而对于导航能力极为关键的“网格细胞”,其发现就要归功于至今已经相濡以沫28年的莫泽夫妇了。2005年,莫泽夫妇在实验时发现,在小鼠通过某一些特定位置点的时候与海马体相邻的内嗅皮层区域的神经细胞也会发生激活,而且这些位置点构成了一个呈六边形的网格形状,很像中国跳棋的棋盘。可是小鼠活动的地方并没有六边形存在,因此这一形状只是小鼠大脑的产物。它叠加在环境背景之上,只要小鼠经过这一六边形上的某一点时,其对应的神经细胞就会被激活。这些被激活的细胞就是网格细胞,它们建立起一种空间表象,起到了建立坐标系的作用,记录下所有在移动中产生的位置信息,记录下身体行进通过的路径。这样一来,尽管小鼠在陌生的环境中来回穿行,随意走动,但网格细胞可以随时调取提供所记录的信息,确保它不会找不到回家的路。

     奥基夫发现的“位置细胞”与莫泽夫妇发现的“网格细胞”一起构成了小鼠大脑中的定位导航系统,这种系统就像大脑内置的“gps”能够完成复杂的定位和导航任务。后来,科学家们已经在包括人类在内的很多哺乳动物身上发现了同样的由“位置细胞”和“网格细胞”构成的定位导航系统,也就是说,我们能够顺利找到回家的路同样需要依赖我们大脑中的这套系统。只有借助于这个定位导航系统,我们才能够正确地了解自己所处的环境,才能够恰当处理自己与周围物体的关系,才能够在复杂的环境中识别、记忆并辨别方向,才能够具有良好的空间能力。

     另外,在研究大脑的定位、导航机制的同时,也揭示了大脑认知过程中的其他一些奥秘。就在研究“网格细胞”的时候,莫泽夫妇发现这些“网格细胞”形式丰富,形成的图形有着大小的差异,有着方位的不同。尽管如此,它们却具有复杂而稳定的结构模式:产生大小与方位相同图形的细胞聚集在一起构成了一个独立单元,各个单元沿着内嗅皮层上下方向分布,较大的位于下部,相邻单元产生图形的大小相差1.4倍,遵循着一个严格的数学公式。这些结构的存在似乎在提醒人们注意大脑细胞是作为一个整体来执行高级认知功能的,对于记忆与位置环境之间的关系需要进行更为深入的研究,从而开辟了人类研究记忆、思考等认知过程的新途径。

     我们的大脑有着太多的未知,因此人们对于这一领域的后续研究及其应用充满期待。比如,由于“网格细胞”所在的内嗅皮层也正是阿尔茨海默综合征患者最先发生损害的部位之一,而病的最初的症状也正是记忆丧失与无法辨识外界环境。所以人们希望通过对“网格细胞”深入研究,理解人类大脑空间记忆的中枢机制,找出记忆的丧失现象的原因,找到预防和治疗阿尔茨海默综合征这类脑部疾病的办法。我们相信在不远的将来,科学家们对于大脑的研究成果就会直接造福于人类社会。

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