2014 年諾貝爾生理學(xué)及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予 John O\'Keefe 與 May-Britt Moser 和 Edvard I. Moser 夫婦,表彰他們?cè)诎l(fā)現(xiàn)腦內(nèi)定位系統(tǒng)所取得的成就。我們?nèi)绾沃雷约荷硖幒畏剑课覀內(nèi)绾伪孀R(shí)來(lái)去的道路?我們又如何將這些信息貯存在大腦并在遇到相同道路上時(shí)第一時(shí)間即可調(diào)取這些信息?
今年的諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)桂冠授予了稱之為“腦內(nèi) GPS”的定位系統(tǒng),這種系統(tǒng)可以在細(xì)胞層次解釋神經(jīng)元的高級(jí)認(rèn)知功能。
1971 年,約翰·奧基夫 (John O´Keefe) 發(fā)現(xiàn)了構(gòu)成這一體系的第一個(gè)組成部分。他在大腦一個(gè)名為“海馬”的腦區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)一種特殊的神經(jīng)細(xì)胞,當(dāng)實(shí)驗(yàn)小鼠在房間內(nèi)的某一特定位置時(shí)被激活。而當(dāng)大鼠在房間內(nèi)其他位置時(shí)將激活其余的神經(jīng)細(xì)胞。奧基夫認(rèn)為這些“定位細(xì)胞”構(gòu)成了房間地圖。
30 多年后,在 2005 年,May-Britt Moser 和 Edvard Moser 夫婦發(fā)現(xiàn)大腦定位機(jī)制的另一項(xiàng)關(guān)鍵組成部分。他們辨識(shí)出另外一類神經(jīng)細(xì)胞,并將其稱之為“網(wǎng)格細(xì)胞”。這些細(xì)胞可以形成一種坐標(biāo)系,從而使精確定位與識(shí)路成為可能。后續(xù)的研究揭示了定位細(xì)胞以及網(wǎng)格細(xì)胞是如何實(shí)現(xiàn)定位與導(dǎo)航。
John O´Keefe、May-Britt Moser 和 Edvard Moser 的發(fā)現(xiàn)解決了一個(gè)困擾哲學(xué)家和科學(xué)家?guī)讉€(gè)世紀(jì)的問題,即大腦如何構(gòu)建一個(gè)我們周圍空間的地圖?我們?cè)趶?fù)雜的環(huán)境中如何控制行為?
如何理解周邊的環(huán)境?
方向感和導(dǎo)航能力是我們生存的基礎(chǔ)。方向感是對(duì)環(huán)境中位置的感知。導(dǎo)航能力是基于對(duì)先前位置移動(dòng)和了解從而與距離感產(chǎn)生內(nèi)在聯(lián)系。
關(guān)于定位和導(dǎo)航問題,哲學(xué)家和科學(xué)家們思索了很長(zhǎng)時(shí)間。200 多年前,德國(guó)哲學(xué)家康德認(rèn)為,一些精神能力作為先知,獨(dú)立于經(jīng)驗(yàn)存在。他認(rèn)為空間概念是思想的內(nèi)在準(zhǔn)則,介于此,可以感知世界。
20 世紀(jì),行為心理學(xué)的出現(xiàn),讓這些問題可以通過實(shí)驗(yàn)研究的方法解決。Edward Tolman 觀察大鼠穿越迷宮時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)大鼠學(xué)會(huì)了如何導(dǎo)航,并因此提出了大鼠腦內(nèi)會(huì)形成“認(rèn)知地圖”幫助它們找到合適的道路。但問題仍然存在,這樣的地圖是如何在大腦中形成的呢?
John O´Keef 與和空間定位
令 John O´Keefe 著迷的是大腦是如何控制行為和做出決定,在 20 世紀(jì) 60 年代末,O\'Keefe 嘗試用神經(jīng)電生理手段解決。當(dāng)記錄移動(dòng)中大鼠海馬區(qū)單個(gè)神經(jīng)元信號(hào)時(shí),奧基夫發(fā)現(xiàn)動(dòng)物假定處在某一特定位置時(shí)將特異性激活某類神經(jīng)元。他得出結(jié)論:在不同環(huán)境激活特定的定位細(xì)胞,并在海馬區(qū)內(nèi)構(gòu)建周邊環(huán)境地圖。因此,環(huán)境的記憶可以作為海馬體定位細(xì)胞特定活動(dòng)的組合而儲(chǔ)存。
May-Britt 和 Edvard 夫婦與坐標(biāo)系
May-Britt 和 Edvard 夫婦在描繪了大鼠在屋內(nèi)活動(dòng)狀態(tài)下海馬的交互情況時(shí),發(fā)現(xiàn)了一處名為“內(nèi)嗅皮層”的腦區(qū)周邊出現(xiàn)了驚人的活動(dòng)信號(hào)。當(dāng)大鼠經(jīng)過多處既定的六角網(wǎng)格時(shí)都將激活該腦區(qū)特定的細(xì)胞。
與此同時(shí),網(wǎng)格細(xì)胞啟動(dòng)了坐標(biāo)系,以允許啟動(dòng)空間導(dǎo)航。在內(nèi)嗅皮層其他細(xì)胞參與頭部方向及房間邊界感知的共同協(xié)作下,這些細(xì)胞與海馬內(nèi)的定位細(xì)胞形成神經(jīng)環(huán)路。該環(huán)路構(gòu)成了大腦全部的定位系統(tǒng),也就是所謂的“腦內(nèi) GPS”。
人類大腦中的地圖
近期關(guān)于腦內(nèi)成像技術(shù)的研究,以及牽扯到行神經(jīng)外科手術(shù)患者的研究均證實(shí),定位及網(wǎng)格細(xì)胞(place and grid cells) 同樣存在在人類大腦中。阿爾茲海默患者中,海馬和內(nèi)嗅皮層在早期階段就受到影響,導(dǎo)致這些患者經(jīng)常迷路以及無(wú)法辯認(rèn)出周邊環(huán)境。因此,關(guān)于腦內(nèi)定位系統(tǒng)的研究可以有效幫助理解這種毀滅性的空間記憶喪失是如何影響阿爾茲海默患者。
腦內(nèi)定位系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)使我們對(duì)分化細(xì)胞如何作為一個(gè)整體來(lái)執(zhí)行高級(jí)認(rèn)知功能有了一定了解。這將開啟理解其他認(rèn)知進(jìn)程的大門,例如記憶、思考以及規(guī)劃。
(來(lái)源:丁香園網(wǎng))