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| 本文作者： 新智元 | 2015-12-30 10:32 |
【編者按】本文來源：Scientific American，作者May-Britt Moser和Edvard I. Moser，由王婉婷、張巨巖原創(chuàng)編譯。原標題為《大腦GPS：尋路神經系統(tǒng)如何導航？》
May-Britt Moser和Edvard I. Moser背景介紹：
May-Britt Moser和Edvard I. Moser在位于挪威特隆赫姆的挪威科技大學擔任心理學系教授。他們在2007年共同創(chuàng)立了卡夫利科系統(tǒng)神經科學研究所（Kavli Institute for Systems Neuroscience），2013年共同創(chuàng)立了神經計算中心，這兩個機構都在挪威科技大學內。由于發(fā)現(xiàn)了大腦的定位系統(tǒng)，他們與倫敦大學學院的John O’Keefe共同分享了諾貝爾生理和醫(yī)療獎。
我們駕駛汽車或是飛機的能力——甚至是在城市街道間穿行的能力——已經完全被全球定位系統(tǒng)（GPS）的發(fā)明所改變。
在擁有GPS之前，我們是怎樣導航的呢？近來的研究發(fā)現(xiàn)，哺乳動物大腦中有一種精巧到讓人驚嘆的、像是GPS一樣的跟蹤系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)引導著我們從一個地點前往下一個地點。
就像我們手機和汽車里的GPS一樣，我們的大腦也會通過整合多種與位置和時間流逝有關的信號來估算我們現(xiàn)在在哪里、又將要往哪里去。大腦通常用最小的努力來完成這些計算，所以我們幾乎意識不到計算的存在。只有當我們迷路了、或者當我們的導航技能因為受傷或是神經退行性疾病而有了損傷，我們才會察覺到，這種繪制地圖然后導航的系統(tǒng)對于我們的生存來說是多么重要。
分辨出我們在哪里以及我們需要去哪里的能力對于生存來說是至關重要的。沒有這種能力的話，我們——與所有其他的動物一樣——將無法找到食物，也無法繁衍后代。個體，以及整個種族，都將滅絕。
與其它動物相比，哺乳動物的導航系統(tǒng)尤為精密。簡單的線蟲Caenorhabditis elegans只有302個神經元，幾乎僅僅通過嗅覺信號來導航，沿著氣味濃度梯度上升或是下降的路線移動。
神經系統(tǒng)更復雜的動物，比如沙漠蟻和蜜蜂，會利用更多策略來找到路線。其中一種方法叫做路徑整合（path integration），一種像GPS一樣的機制：
神經元根據(jù)對相較于出發(fā)點的方向和移動速度的監(jiān)控，進行位置計算——這種任務的完成無需參照物理地標之類的外界線索。在脊椎動物，特別是哺乳動物中，這讓個體在環(huán)境中定位自身位置的能力變得更為復雜。
哺乳動物對于形成神經地圖的能力——一群一群的神經細胞以能夠反映出周圍環(huán)境和環(huán)境中自身位置的形式放電（fire），所形成的腦電信號的模式——非常依賴，這一點超過了任何其它種類的動物。大部分人認為這種心理地圖（mental maps）的形成發(fā)生在皮層（cortex），這種大腦的皺巴巴的上層組織在進化中很晚才發(fā)育出來。
在過去的幾十年間，研究者們僅僅對于當一個動物移動時大腦如何形成并更新這些地圖有了深度的了解。最近的研究主要在鼠類身上完成，揭示了導航系統(tǒng)包括一些特化的細胞類型，它們在持續(xù)地計算著個體的位置、移動距離、移動方向、以及移動速度。這些不同的細胞共同形成了一幅本地位置的動態(tài)地圖，不僅在當下工作著，也能被存為記憶留待日后調用。
對于大腦的空間地圖的研究由加利福尼亞大學伯克利分校心理學教授Edward C. Tolman率先展開，1918年到1954年間他為此做了許多工作。在Tolman之前，實驗室中對于大鼠的實驗似乎暗示了動物通過對移動路徑上的連續(xù)刺激作出反應——以及進行記憶——來找到要走的路。比如，在學習穿越一個迷宮時，它們被認為回憶了自己從迷宮入口走到出口的幾次旅程。然而，這個想法沒有考慮到動物們可能會可視化一張迷宮的整體地圖來規(guī)劃最佳路線。
Tolman從根本上粉碎了當時流行的觀點。他觀察到老鼠會走捷徑或是走彎路，在它們只走過一次迷宮的情況下，當時的觀點并不能預期會發(fā)生這樣的行為。根據(jù)他的觀察，他提出了一個新設想：動物們會形成對應于外部世界中空間幾何的心理地圖；它們也會記錄下動物們在某個地點經歷過的事件的信息。
Tolman的這些想法在1930年左右的時候第一次提出，之后幾十年一直飽受爭議。對這個理論的接受進展十分緩慢，一部分是因為它純粹是基于觀察實驗動物的行為而得出的，而實驗動物的行為可以用許多理由來解釋。這種對應于外部環(huán)境的內部地圖是否存在于動物的大腦中，Tolman對此沒有方法或是工具來進行檢測。
直到大約40年后，在對于神經活動的研究中才發(fā)現(xiàn)了支持心理地圖的直接證據(jù)。1950年代微型電極的發(fā)展，使得監(jiān)控清醒動物腦內單個神經元的電活動成為可能。這些非常細小的電極讓研究者們在動物們自由行動時也可以確認單個神經元是否放電。一個細胞“放電”說的是當它引起了一個動作電位——神經細胞膜上電壓的短暫改變。動作電位讓神經元釋放神經遞質分子，以此將信號從一個神經元傳遞到另一個神經元。
倫敦大學學院的John O’Keefe用微型電極監(jiān)測了大鼠海馬體中的動作電位。幾十年以來，海馬體因為對于記憶功能的重要性而頗具聲名。在1971年，他報告了當大鼠待在盒子里的某個位置，海馬體中的一些神經元會放電——因此，他將這些神經元命名為位置細胞。O’Keefe觀察到，不同的位置細胞在大鼠處于盒子的不同位置時放電，并且所有這些細胞的放電模式共同形成了盒子里的地圖。從電極中可以讀出多個位置細胞的共同活動，以此判斷這個動物在任意給定時間時所處的精確位置。1978年，O’Keefe和他的同事Lynn Nadel（現(xiàn)在任職于亞利桑那大學）猜測，這些位置細胞事實上就是Tolman提出的認知地圖的組成部分之一。
位置細胞的發(fā)現(xiàn)為探索大腦皮層最深層的部分——距離感覺皮層（接收來自感受器的信號）和運動皮層（發(fā)射用于啟動或是控制運動的信號）最遠的地方——打開了一扇窗。1960年代末期，當O’Keefe開始他的研究時，對于神經元什么時候啟動或是關閉（switch on and off）的了解，很大程度上局限在被稱為初級感覺皮層（primary sensory cortices）的區(qū)域里，因為這個區(qū)域的神經活動可以通過光、聲以及觸覺的感覺輸入進行直接控制。
那個時代的神經科學家們猜測，海馬體距離感知器官太遠，無論通過什么方式來處理輸入信號，人類都難以從微型電極的記錄中解讀出來。在海馬體中發(fā)現(xiàn)能夠創(chuàng)建動物所在地點實時環(huán)境地圖的神經元，打破了這種猜測。
雖然這一發(fā)現(xiàn)非常驚人，并且意味著位置細胞在導航系統(tǒng)中占據(jù)一席之地，但是在它們被發(fā)現(xiàn)以后的幾十年間，始終沒有人知道它們到底扮演著什么樣的角色。位置細胞位于海馬體中一片叫做CA1的區(qū)域，這里是海馬體其他區(qū)域產生的信號傳導鏈（signaling chain）最后抵達的終點。有人假設，位置細胞接收了許多來自其他海馬體區(qū)域的與導航相關的關鍵計算結果。在2000年代早期，我們兩人決定進一步探索這個想法——在我們在位于特隆赫姆的挪威科技大學中新建立的實驗室里。這個追求最終帶來了巨大的發(fā)現(xiàn)。
與Menno Witter（現(xiàn)在任職于我們的研究所）以及一群非常有創(chuàng)造力的學生們一同合作，我們從破壞向位置細胞傳遞信息的神經回路的一部分、然后使用微型電極來監(jiān)測大鼠海馬體中的位置細胞的活動開始。我們預期這項研究將會證明這個回路對于位置細胞的良好運作是非常重要的。讓我們意外的是，位于CA1區(qū)域這個回路終點的神經元，當動物抵達特定位置時仍然會放電。
我們團隊不得不總結，位置細胞無需依賴于海馬體回路來測量動物的方位。于是我們的注意力轉向了我們唯一沒有干涉到的神經通路：內嗅皮質（entorhinal cortex），一塊將周圍皮質聯(lián)系在一起的連接區(qū)域，與CA1的直接連接。
2002年，仍然與Witter一起合作，我們在內嗅皮質中植入了微型電極，然后在動物們完成與之前我們做的位置細胞研究中差不多的任務時記錄神經電活動。我們將微型電極安插在內嗅皮質中與位置細胞直接連接的區(qū)域。我們發(fā)現(xiàn)，許多內嗅皮質中的細胞會在動物們處于特定位置時放電，與位置細胞的行為非常像。但與位置細胞不同的是，內嗅皮質中的單個細胞不只在大鼠處于圍場（enclosure）中某一個位置時才放電，而是在許多位置時都會放電。
這些細胞最讓人震驚的是它們放電的方式。它們的活動模式一直到我們在2005年擴大了圍場大小后才變得明顯起來。將圍場擴大到某個尺寸以后，我們發(fā)現(xiàn)，引起一個內嗅細胞放電的多個位置形成了六邊形的六個頂點。這個內嗅細胞——我們命名為網格細胞（grid cell）——在動物經過其中每個頂點時都會放電。
這些六邊形覆蓋了整個圍場，看上去像是形成了一個個分開的網格單元——與道路地圖上坐標線形成的方形網格異曲同工。這樣的放電模式提出了一種可能性：網格細胞與位置細胞不同，提供的是關于距離和方向的信息，以此幫助動物無須依賴于環(huán)境輸入、只憑借來自身體運動的內部線索來追蹤自己的移動軌跡。
當我們檢查內嗅皮質不同位置的細胞的活動時，網格的一些方面也有變化。在背側接近于頂端的區(qū)域，那里的細胞產生的圍場網格包含許多緊密排列的六邊形。六邊形的大小可以通過一系列步驟（或者說模塊，modules）來放大——隨著你向內嗅皮質的下側，或者說腹側，移動。六邊形網格在每個模塊中都有特定的、與其他模塊中不同的距離（spacing）。
網格細胞的距離在每個連續(xù)模塊中的下移（moving downward）可以通過將前一個模塊中的細胞間距和大約為1.4的系數(shù)（準確來說是2的平方根）相乘來決定。在位于內嗅皮質最頂端的模塊中，一只在六邊形網格的一個頂點上激活了網格細胞的大鼠，將會需要移動30到35厘米才能抵達下一個相鄰的頂點。在下一個往下一層的模塊（the next module down）中，它則需要移動42到49厘米，距離這樣漸漸變長。在最下方的模塊里，這段移動距離攀升到了幾米。
我們對于網格細胞和它們整潔的組織感到非常興奮。在皮層的大部分區(qū)域，神經元的放電模式顯得混亂而難以理解，但在這里，在這個皮層的深層區(qū)域，有一群細胞在以可預測的、有規(guī)律的模式放電。我們急切地想要繼續(xù)探索。但是，在描繪哺乳動物所處世界的地圖的系統(tǒng)中，并不僅僅只有這些網格細胞和位置細胞——其他的驚喜也在等著我們。
早在1980年代中期和1990年代早期，紐約州立大學下州醫(yī)療中心（SUNY Downstate Medical Center）的James B. Ranck和現(xiàn)在任職于達特茅斯學院的Jeffrey S. Taube就在海馬溝回前部——連接海馬體的另一塊皮質區(qū)域——發(fā)現(xiàn)了頭部方向細胞（head-direction cells）。
我們的研究發(fā)現(xiàn)，這些細胞同樣也存在于內嗅皮質中，混在網格細胞之間。許多內嗅皮質中的頭部方向細胞與網格細胞有一樣的功能：圍場中它們放電的位置同樣也形成了網格，但這些細胞只有在大鼠在這個位置并且面朝特定方向時才會被激活。這些細胞看上去為動物提供了指南針一樣的信息；通過監(jiān)控這些細胞，你可以讀出這個動物在任何時間相對于周圍環(huán)境的方向。
幾年以后，我們在2008年的時候在內嗅皮質中又發(fā)現(xiàn)了一種新的細胞類型。當動物接近墻壁、圍場邊緣、或是其他隔斷時，這些邊界細胞（border cells）就會放電。這些細胞似乎能夠計算動物距離邊界有多遠的距離。這個信息可以之后被網格細胞用來估算動物相對與邊界來說已經移動了多少距離，并且也能被用來作為參照點，在之后提醒大鼠這堵墻的位置。
最終，在2015年，第四種細胞進入了我們的視野。它只對奔跑速度有反映，無論動物在哪里或是朝著哪個方向。這些神經元隨著移動速度的提升成比例地也提升放電率。事實上，我們可以通過查看僅僅一小部分速度細胞的放電頻率來斷言一個動物在給定時間點上的移動速度。速度細胞可能與頭部方向細胞一起擔任向網格細胞持續(xù)傳達并更新動物移動的信息——它的速度、方向、以及它離起點的距離——的角色。
我們對于網格細胞的發(fā)現(xiàn)，出乎我們意料，讓我們發(fā)現(xiàn)了使得位置細胞能夠為哺乳動物所處的環(huán)境繪制內部地圖的輸入信息。我們現(xiàn)在明白了，當動物的大腦試圖追蹤它移動的路徑以及它將要去的位置時，位置細胞整合了內嗅皮質中來自許多類型的細胞的信息。但即使是這些過程也并不能徹徹底底地解釋清楚哺乳動物是如何導航的。
我們一開始的研究關注于內側內嗅皮質（medial entorhinal cortex）。位置細胞可能也會接受來自外側內嗅皮質的信號，外側內嗅皮質中繼（relay）了來自一些感覺系統(tǒng)的、經過處理的信號，包括物體的氣味信息和特性信息。通過整合內嗅皮質內側和外側的輸入信號，位置細胞解讀的是來自整個大腦的信息。關于來到海馬體的信息之間發(fā)生的復雜交互，以及因此帶來的對于特定位置的記憶，我們的實驗室以及其他研究者們仍在繼續(xù)探索，并且這項研究毫無疑問將會在未來很多年一直持續(xù)下去。
內側內嗅皮質的空間地圖和海馬體的空間地圖如何共同協(xié)助導航？一種開始著手了解這個問題的方法是，找找這些地圖有什么不同。
紐約州立大學下州醫(yī)療中心的John Kubie和Robert U. Muller在1980年揭示了海馬體中位置細胞構成的地圖可能隨著動物移動到新環(huán)境中而發(fā)生翻天覆地的變化——即使只是進入了同一間房間中同一個位置的新顏色的圍場。
我們實驗室中，通過讓大鼠在一系列多達11個隔間的空間中覓食，發(fā)現(xiàn)了大鼠在每一個隔間中都會快速形成這個隔間獨有的地圖。這進一步支持了海馬體依據(jù)環(huán)境而形成特有地圖的觀點。
相反，內側內嗅皮質形成的地圖是通用的（universal）。在某一個環(huán)境的網格地圖的一些特定位置上一起放電的網格細胞——以及頭部方向細胞和邊界細胞——到了另一個環(huán)境的地圖上也會在相似位置放電，像是第一張地圖的經緯線被應用到了新的環(huán)境中一樣。當動物在籠子的一個隔間往東北方向移動時的細胞放電順序，在它進入了其他隔間以后往同樣的方向移動時又會出現(xiàn)。內側內嗅皮質中這些細胞間的信號傳遞模式，就是大腦在所處環(huán)境中用來導航的東西。
這些密碼隨后從內嗅皮質中被傳遞到海馬體中，海馬體利用這些信息來形成針對于特定環(huán)境的地圖。從進化的角度出發(fā)，整合兩套地圖的信息來為一個動物導航看上去是動物用導航系統(tǒng)的一個高效解決方案。內側內嗅皮質中形成的網格所測量的距離和方向，并不會隨著它從一個隔間前往另一個隔間就改變。相反，海馬體中的位置細胞為每個單獨的隔間都形成了獨立的地圖。
解讀神經導航系統(tǒng)仍然需要進一步的研究。我們所有關于位置細胞和網格細胞的知識都是從實驗中獲得的，實驗中當大鼠或小鼠在高度人工環(huán)境（平面的，沒有任何內部標記的結構）中隨意走動時，它們神經元的電活動被記錄了下來。
實驗與自然環(huán)境有很大的不同，自然環(huán)境會不斷變化，也充滿了三維物體。研究的簡化性引出了一個問題：當動物處在實驗室外時，位置細胞和網格細胞激活方式是否與實驗室中相同？
在嘗試模擬動物自然棲息地的復雜迷宮中進行實驗，為此提供了一些線索。在2009年，當動物在復雜迷宮中移動時，我們記錄了網格細胞的活動（在這個迷宮中，每條道路的末端都由曲折的發(fā)卡彎（hairpin turn），用以標志下一條道路的開始）。研究表明，和預期的一樣，網格細胞形成了六角形模式來為大鼠測量迷宮中的每一條道路的距離。但是每次一只動物從一條道路轉到另一條時，一個突兀的變化就發(fā)生了。在新的道路上，另一個網格模型被疊加上去，幾乎就像大鼠正在進入一個完全不同的隔間時一樣。
我們實驗室隨后的研究表明，網格地圖也可以在開放的環(huán)境中分解為小的地圖，如果這些空間足夠大的話。我們現(xiàn)在正在研究這些小的地圖是如何形成一個給定區(qū)域的合成地圖的。即使這些實驗因為圍場的平坦和水平而顯得過于簡化。在其他的實驗室中進行的實驗——觀察飛行的蝙蝠和在籠子中爬來爬去的大鼠——也開始呈現(xiàn)出一些線索：位置細胞和頭部方向細胞似乎在任何三維空間的某些特定地方都能放電，并且很有可能網格細胞也是這樣。
海馬體區(qū)域的導航系統(tǒng)不僅只是能夠幫助動物從A點走到B點。除了從內側內嗅皮質接受關于位置、距離和方向的信息以外，海馬體還記錄位于特定位置的東西——一輛車或者旗桿——還有在那里發(fā)生的事情。于是，被位置細胞創(chuàng)造的空間地圖不僅僅包括關于動物所在之處的信息，也包括關于動物經歷的事件細節(jié)，類似于Tolman的認知地圖的概念。
這些被附加的信息中一部分似乎來自位于外側內嗅皮質的神經元。關于物體的具體細節(jié)和事件的詳細情況與動物的坐標結合在一起，并被放入到記憶中。當后來記憶被提取時，事件和位置一起被呈現(xiàn)到意識中。
這種位置的記憶使人想起古希臘和羅馬人發(fā)明的記憶策略。“位置記憶法（method of loci）”讓一個人通過想象將每個物體放入到某個地方熟悉的道路中來記憶一系列物品，這樣的地方可以是一處景觀或一個建筑——一種稱為“記憶殿堂”的方法。記憶競賽的參與者仍然在使用這種方法來回想很長的數(shù)字列表，字母或者撲克牌。
令人悲傷的是，內嗅皮質是阿爾茲海默癥患者最早無法使用的大腦區(qū)域之一。這種疾病讓內嗅皮質的腦細胞死亡，所以在內嗅皮質的縮小被認為是診斷潛在患者的一種可靠的測量方式。游蕩和迷路的傾向也是這種疾病的早期跡象之一。在阿爾茲海默癥的晚期，海馬體區(qū)域的細胞會死亡，致使病人無法回憶自身經歷或者記起如顏色名字這樣的概念。事實上，最近一個研究證明，對于有某個阿爾茲海默癥致病基因（使個體患病風險增加一個級別）的年輕個體來說，他們的網格細胞網絡功能可能存在缺陷——這是一個可能產生該疾病新診斷方式的發(fā)現(xiàn)。
今天，距離Tolman第一次提出存在對應于我們周圍環(huán)境的心理地圖這一看法已經過去了80多年，很顯然在大腦用于計算空間環(huán)境位置、距離、速度和方向的復雜表征中，位置細胞只是組成元素之一。在嚙齒目動物腦部導航系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的多細胞類型也在蝙蝠、猴子和人類腦中存在。它們存在于各類哺乳動物中，這表明哺乳動物的早期導航系統(tǒng)的進化涉及到了網格細胞和其他細胞，也說明了各個物種中用于計算位置的神經算法是相似的。
Tolman地圖的很多構建基礎已被發(fā)現(xiàn)，我們正準備開始理解大腦如何創(chuàng)造并部署它們。空間表征系統(tǒng)已經成為哺乳動物中研究最透徹的回路之一，它使用的算法也正被用于幫助破解大腦導航系統(tǒng)中的神經密碼。
和很多其他正在探索的領域一樣，新的發(fā)現(xiàn)引出了很多的新問題。我們知道大腦有內部地圖。但我們仍然需要更好地理解，地圖的基本元素如何一起運作來產生針對性位置的表征，以及信息如何被大腦其他系統(tǒng)讀取來為“去哪里”和“如何去”做決定。
其他的問題還有很多。海馬體和內嗅皮質的空間網絡僅僅只能用于本地空間的導航嗎？在嚙齒目動物中，我們檢驗了半徑只有幾米的區(qū)域。位置細胞和網格細胞也可以用于長距離導航嗎，比如在蝙蝠遷移幾百米或幾千米的過程中？
最后，我們很好奇網格細胞的起源是什么，在動物發(fā)育過程中是否有重要的形成期，在其他的脊椎或無脊椎動物中能否找到位置細胞和網格細胞。如果無脊椎動物也使用它們，這將暗示著這個空間地圖系統(tǒng)在進化中已經被使用了幾億年。大腦GPS將會繼續(xù)提供豐富新穎的前沿研究方向，能讓未來幾代科學家研究上幾十年。
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