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    2014年的諾貝爾生理或醫學(xué)獎頒給約翰·奧基夫博士，梅-布里特·莫澤和愛(ài)德華·莫澤博士夫婦，以表彰他們在大腦中發(fā)現了一種可以定位和***的神經(jīng)細胞。這是大腦科學(xué)領(lǐng)域重大的基礎性突破。
 

    在人類(lèi)對所處環(huán)境進(jìn)行認知、記憶以及***的過(guò)程中，需要對地理位置有一定的感覺(jué)。這種感覺(jué)需要多個(gè)信息感知模塊共同作用，運動(dòng)執行力和記憶能力組合在一起才能真正起作用，可以說(shuō)***能力是大腦最復雜的功能之一。

    2014年度獲獎?wù)叩奶剿鳎@著(zhù)地改變了我們對大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )運行基本認知功能的理解。約翰·奧基夫在海馬區發(fā)現了提示定位的位置細胞，并證明了大腦的空間記憶能力；梅-布里特·莫澤和愛(ài)德華·莫澤則在內嗅皮層發(fā)現了能協(xié)同***的網(wǎng)格細胞。兩種細胞連接而成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，對于計算空間映射和執行***任務(wù)都至關(guān)重要。

    一個(gè)“問(wèn)題”,困擾了哲學(xué)家和科學(xué)家好幾個(gè)世紀

    大腦功能問(wèn)題，已經(jīng)困擾了哲學(xué)家和科學(xué)家很長(cháng)時(shí)間。18世紀，德國哲學(xué)家伊曼努爾·康德（1724—1804）堅信，一些心智能力***于經(jīng)驗自然存在，他堅信，對空間的感知是一種天賦。

    美國經(jīng)驗派心理學(xué)家愛(ài)德華·托爾曼則認為，大腦中有一種地圖狀的空間再現，1948年，他提出，動(dòng)物可能在空間和事件之間能形成經(jīng)驗性聯(lián)系，加之對環(huán)境探索進(jìn)而形成認知地圖。

    行為學(xué)家中普遍流行的觀(guān)點(diǎn)認為，通過(guò)感覺(jué)—行動(dòng)的相互作用，動(dòng)物能獲得復雜行為能力。托爾曼的理論對此提出了質(zhì)疑，但未能指出在大腦中這些功能究竟源于何處，以及大腦如何計算這些復雜行為。

    1958年，斯坦姆沃瑟采用了長(cháng)期植入微型導線(xiàn)的方法，能從自由運動(dòng)的動(dòng)物大腦中記錄細胞行為，如此，才使得解決上述問(wèn)題成為可能。

    給動(dòng)物“自由”,奧基夫發(fā)現了興奮的“位置細胞”

    擁有生理心理學(xué)學(xué)術(shù)背景的約翰·奧基夫，曾在加拿大麥吉爾大學(xué)工作，此后轉戰倫敦派克里特墻大學(xué)，從上世紀60年代后期開(kāi)始研究動(dòng)物行為。1971年，他與達斯卓沃斯基一起，在限定空間里能自由活動(dòng)的老鼠大腦海馬區背緣，發(fā)現了位置細胞。

    在以往的任何大腦細胞觀(guān)察中，位置細胞的興奮從未被發(fā)現過(guò)！當老鼠經(jīng)過(guò)所處環(huán)境中的特殊位置時(shí)，一些獨特的位置細胞異常興奮。通過(guò)系統地變換環(huán)境和測試不同理論可能性，奧基夫最終證明了，位置細胞的放電現象對環(huán)境呈現出一種復雜的“格式塔”現象，即位置細胞功能研究本身完全能作為***體系值得深入探索。

    不同的位置細胞會(huì )在不同的位置表現出興奮狀態(tài)，這些狀態(tài)組合起來(lái)生成一個(gè)內置神經(jīng)地圖，即空間感。他還發(fā)現，在不同時(shí)間和不同環(huán)境下，位置細胞的興奮點(diǎn)能形成一個(gè)多層次的復合地圖。認知地圖理論在大腦中得以呈現。

    合理記錄動(dòng)物自由活動(dòng)的技術(shù)得以發(fā)展是奧基夫實(shí)驗的先決條件。當時(shí)絕大多數研究者使用的方法，是對動(dòng)物行為進(jìn)行限制性測試，或采用嚴格的**—反應模式。相反，奧基夫在自然行為狀態(tài)下記錄細胞反應，由此可觀(guān)察到代表空間感的獨特神經(jīng)反應。

    在1978—1987年的工作中，奧基夫的實(shí)驗證實(shí)位置細胞具有記憶功能。很多位置細胞在不同環(huán)境中有同步重置行為，這種行為通過(guò)學(xué)習獲得，一旦設定，可以穩定地持續一段時(shí)間。

    最初，海馬區參與空間***的觀(guān)點(diǎn)受到一些質(zhì)疑，但是，位置細胞的發(fā)現，以及一系列一絲不茍的實(shí)證研究，都證明了海馬區包含內置地圖并可存儲環(huán)境信息。奧基夫的發(fā)現激發(fā)了一大批實(shí)驗和理論工作，多數針對位置細胞如何生成空間信息和完成空間記憶過(guò)程。

    走出“海馬區”,莫澤夫婦發(fā)現內嗅皮層“網(wǎng)格細胞”

    從1980年到1990年，主流理論認為，空間位置的認知功能僅源自海馬區。挪威科學(xué)家梅-布里特·莫澤和愛(ài)德華·莫澤夫婦也曾經(jīng)主攻于此，他們在挪威首都奧斯陸完成博士學(xué)位，此后都作為訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者來(lái)到艾丁伯格學(xué)習，還師從過(guò)在倫敦的約翰·奧基夫。

    與前輩不同的是，他們很想知道海馬區以外的地方，是否也能讓位置細胞興奮起來(lái)。

    在老鼠大腦背緣有一個(gè)內嗅皮層結構，它是海馬區信息的輸入端，也恰好延伸到了海馬區背緣——正是在這里奧基夫發(fā)現了位置細胞。2005年，莫澤夫婦讓動(dòng)物在更大的空間中自由活動(dòng)時(shí)，竟發(fā)現了一種新的細胞類(lèi)型——網(wǎng)格細胞，這類(lèi)細胞擁有不同尋常的特性。

    網(wǎng)格細胞顯示令人驚訝的放電模式。在開(kāi)放空間中多個(gè)地點(diǎn)呈現出的神經(jīng)興奮點(diǎn)形成一個(gè)個(gè)與蜂巢類(lèi)似的六邊形網(wǎng)格結構。六邊形放電模式能夠覆蓋所處空間的每一個(gè)點(diǎn)。這相當于地圖中由經(jīng)緯線(xiàn)組成的網(wǎng)格。在大腦細胞中的網(wǎng)格模式還從未被發(fā)現過(guò)！

    莫澤夫婦還陸續發(fā)現，六邊形網(wǎng)格區域的大小會(huì )有所變化；網(wǎng)格的形成來(lái)自復雜的網(wǎng)絡(luò )活動(dòng)；網(wǎng)格細胞是***和路徑整合系統的一部分；網(wǎng)格系統能測量運動(dòng)距離，能為海馬區空間地圖增加衡量尺度；網(wǎng)格細胞與“頭部方向細胞”和“邊界細胞”組成網(wǎng)絡(luò )，共同作用產(chǎn)生空間認知功能；從幾厘米到幾米的不同空間距離內，網(wǎng)格細胞都能被調動(dòng)起來(lái)；網(wǎng)格細胞與位置細胞在理論模式上的聯(lián)系、病變實(shí)驗以及地圖重置實(shí)驗等。

    莫澤夫婦的系列發(fā)現成果，為人類(lèi)進(jìn)一步解開(kāi)大腦空間***功能神經(jīng)機制，開(kāi)辟了一個(gè)嶄新的研究路徑。

    人類(lèi)并不“特殊”,兩種細胞在動(dòng)物進(jìn)化中表現很強大

    位置細胞和網(wǎng)格細胞在老鼠以外的哺乳動(dòng)物中也廣泛存在。人類(lèi)大腦擁有大量海馬內嗅結構，這些結構被認為與空間學(xué)習和記憶能力密切相關(guān)。一系列研究認為，人類(lèi)大腦也擁有一個(gè)類(lèi)似的空間編碼系統。

    中科院上海生科院神經(jīng)科學(xué)研究所研究員顧勇介紹說(shuō)，每個(gè)位置細胞都會(huì )記錄特定的位置信息，最后這些細胞會(huì )形成一幅“位置拼圖”,大腦正是這樣完成空間信息的記錄。

    有研究者在癲癇病人術(shù)前調查時(shí)，對大腦神經(jīng)細胞進(jìn)行過(guò)直接記錄，在海馬區發(fā)現了類(lèi)似位置細胞的細胞，也在內嗅皮層發(fā)現了網(wǎng)格功能細胞。運用功能性影像，科學(xué)家在2010年還證明了，人類(lèi)大腦內嗅皮層區域的確存在網(wǎng)格細胞。

    哺乳動(dòng)物海馬內嗅皮層和非哺乳脊椎動(dòng)物類(lèi)海馬結構的***能力具有相似性，這揭示了一點(diǎn)——網(wǎng)格位置細胞系統是脊椎動(dòng)物進(jìn)化過(guò)程中被保留下來(lái)的基礎性系統，功能很強大。

    倫敦司機“海馬”大，位置細胞可以重疊存儲空間記憶

    位置細胞不僅能對目前所處空間位置進(jìn)行編碼，還能對剛剛經(jīng)過(guò)的地方以及即將去的地方進(jìn)行編碼。如果動(dòng)物在兩個(gè)不同環(huán)境中快速進(jìn)行遠程運輸，位置細胞會(huì )對位置信息進(jìn)行重疊存儲。

    在記憶被編碼以后，記憶還會(huì )進(jìn)行進(jìn)一步整合，比如在睡夢(mèng)中。位置細胞在睡夢(mèng)中仍然活躍也是一種記憶加固機制，記憶最終被證明存儲在了大腦皮質(zhì)結構中。

    一項研究表明，在沒(méi)有實(shí)物地圖的情況下，倫敦出租車(chē)司機的自我***能力異常強大，他們的海馬區體積就比其他人的大很多。

    對抗“阿爾茨海默”,老年人腦部疾病有望解決

    大腦疾病是目前導致人類(lèi)疾病的重要病因。到目前為止，我們還沒(méi)找到有效方法來(lái)預防和治療大多數的腦部疾病。

    在諸如阿爾茨海默老年癡呆癥等大腦疾病中，記憶能力會(huì )受到影響。空間記憶的神經(jīng)學(xué)機制研究顯得非常重要，位置細胞和網(wǎng)格細胞的發(fā)現，是通往解決之道的一個(gè)重要飛躍。

    奧基夫在老鼠阿爾茨海默疾病模式下，證明了空間位置的能力弱化與動(dòng)物空間記憶惡化有關(guān)。目前研究結果還未轉化成臨床研究和實(shí)踐，但海馬構造被認為是能影響阿爾茨海默疾病的第一個(gè)功能區域。

    總之，三位科學(xué)家對位置細胞和網(wǎng)格細胞的發(fā)現，展現了一個(gè)典型的范式轉換，即特殊的細胞組合工作能形成更高級的認知功能。這些發(fā)現極大地促進(jìn)了對包括人類(lèi)在內的哺乳動(dòng)物大腦研究。人類(lèi)大腦如何運行定位系統的研究已經(jīng)呈現出一個(gè)嶄新的圖景。

    也有科學(xué)家稱(chēng)，深層機理尚未闡明

    不過(guò)，也有專(zhuān)家抱謹慎態(tài)度。中科院院士、復旦大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)研究所所長(cháng)楊雄里說(shuō)，老年癡呆癥可能涉及海馬區和內嗅皮層，與本次獲獎成果很可能有關(guān)聯(lián)。但他表示，老年癡呆癥涉及的主要是大腦的前額葉皮層，因而該成果不一定會(huì )對老年癡呆癥的治療產(chǎn)生重大推動(dòng)。

    該獎的發(fā)布，讓中國科學(xué)院生物物理研究所研究員、腦與認知科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室副主任卓彥感覺(jué)出乎意料。“認知科學(xué)中很多與各種知覺(jué)相關(guān)的研究都有可能獲得提名。”他說(shuō)，“但我對大腦定位細胞研究并不了解，沒(méi)想到會(huì )受到這樣的重視。”

    科學(xué)界里甚至產(chǎn)生了分歧。神經(jīng)科學(xué)家認為，該成果尚欠火候，三位獲獎?wù)哌€沒(méi)有把深層機理解釋清楚，比如位置細胞與網(wǎng)格細胞之間的信息傳遞方式、空間定位的原理等都有待闡明。

    但也有科學(xué)家認為，“大腦***”已經(jīng)逐步形成體系，盡管不如有些成果璀璨耀眼，但也名副其實(shí)，并已得到世界認可。