2014年诺贝尔生理学或医学奖：在大脑中内置的“GPS”

我们如何知道自己的位置？我们如何从一个地方去到另一个地方？为何当我们在下次重复同样的路线时能够迅速查找到这些信息，我们在大脑中是如何对它们进行存储的？今年的诺贝尔生理学或医学奖获得者们发现了大脑内的定位系统，大脑中一种内置的“GPS”，它让我们能够在空间中实现定位，揭示了高等认知能力的细胞层面机制。

1971年，约翰·奥基夫发现了构成这一体系的第一个组成部分。他在大脑一个名叫“海马体”的区域发现了一种特殊的神经细胞，当实验小鼠在房间内的某一特定位置时其中一部分这样的细胞总是显示激活状态。而当小鼠在房间内的其他位置时，另外一些细胞则显示激活状态。奥基夫认为这些是“位置细胞”，它们构成了小鼠对所在房间的地图。

30多年后，在2005年，梅·布莱特·莫索尔和爱德华·莫索尔夫妇发现大脑定位机制的另外一项关键组成部分。他们识别出另外一种神经细胞，他们将其称之为“网格细胞”，这些细胞产生一种坐标体系，从而让精确定位与路径搜寻成为可能。他们随后进行的研究揭示了位置细胞以及网格细胞是如何让定位与导航成为可能的。

约翰·奥基夫以及梅·布莱特·莫索尔和爱德华·莫索尔夫妇的发现解答了一个困扰哲学家和科学家们长达数个世纪的谜团—大脑究竟如何创建一个有关自身周围空间位置的地图？我们又究竟如何能够在复杂的环境中找到方向？

对位置的感知以及判断方向的能力是我们生存的基础。对位置的感知构成我们在环境中对自身所处地点的知觉。而在行进的过程中，我们将基于运动状态给出的距离判断与有关先前位置的信息结合了起来。

有关位置与路径寻找的问题长期以来困扰着哲学家和科学家们。200多年前，德国哲学家康德提出我们拥有一些所谓“先验知识”，它们独立于人的经验而存在。他将空间的概念视为思维的内在属性之一，这是我们感知世界的唯一的方式。随着20世纪中叶行为心理学的发展，人们开始用试验方法探究这些问题的答案。当爱德华·莫泽观察小鼠在迷宫中的前行方式时，他发现小鼠可以学会如何判断路径，并据此提出了“认知地图”的概念，这种认知地图形成于大脑中，让它们得以找到前行的路径。但问题依然存在—这种地图究竟如何在大脑内形成？

约翰·奥基夫被有关大脑如何控制行为的问题深深吸引。20世纪60年代末，他决定采用神经生理的方法对这一问题进行研究。他对在房间内自由跑动的小鼠大脑状况进行观察，在记录小鼠大脑内一个被称作“海马体”区域单个神经细胞信号的过程中，奥基夫注意到当小鼠位于房间内某一特定位置时，一部分神经细胞会被激活（图1）。他确认这些“位置细胞”并非仅仅在简单的接收视觉信息输入，而是在构建一张关于周围环境的内部地图。约翰·奥基夫认为海马体会产生大量的地图，这些地图在生物所处不同环境中时，由大量神经细胞共同作用下形成。因此，生物体对环境的记忆，可以用海马体中神经细胞特定激活组合的方式来进行存储。

莫索尔夫妇更进一步认为，他们在临近海马体的大脑另一个名叫“内嗅皮层”的区域有了意外发现。他们注意到，当小鼠经过排列为六边形的多个地点时，其大脑中的部分神经细胞发生激活（上页图2）。这些细胞都会对特定的空间模式做出反应，它们整体上构成所谓“网格细胞”。这些细胞组成一个坐标系统，从而让空间导航成为可能。内嗅皮层区域的其他细胞能够判断自身头部对准的方向以及房间的边界位置，这些细胞都与位于海马体内的位置细胞相互协调，构成一条完整的回路。这一回路系统构成了一个复杂而精细的定位体系，它是我们大脑的“内置GPS”（图3）。

近期采用大脑成像技术进行的研究，以及对接受神经外科手术的病患进行的研究结果，已经提供了确凿的证据，证明类似的位置与网格神经细胞同样存在于人类的大脑之中。患有阿尔茨海默综合症的病患，他们大脑的海马体以及内嗅皮层区域常常会在患病过程的早期遭受影响，这样的病人常常会发生迷路，并且难以识别周围环境。对于大脑定位系统机制的了解或许将在未来帮助这类患者改善由于空间记忆受损而造成的困扰。对大脑定位系统机制的发现颠覆了我们此前的认识，显示了特定的细胞群相互协同工作如何能够达成更加高等的认知功能。这一成果打开了理解其他认知过程的窗口，如记忆、思维以及进行规划的能力。