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【2014诺贝尔奖】生理学或医学奖深度解读:大脑中的“定位系统”

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鬼谷藏龙 发表于  2014-10-07 09:09

飞鸽传书,老马识途。当还处在原始时代的时候,人类就已经意识到,很多动物都具有出类拔萃的导向能力,纵使万水千山,无论阴晴雨雪,这些神奇的动物总能知道路在何方。人类当中也不乏这样的认路高手,他们的脑海中似乎嵌入了一张高分辨率地图,怎样都不会迷失方向。作为一个出门不带GPS简直不能活的路痴,我总是非常羡慕这样的人和动物,难不成他们的大脑当中还内置了一个活体GPS?刚刚揭晓的2014年诺贝尔生理学或医学奖,恰恰向我们解答了这个问题。

如何才能不迷路呢?首先,我们必须知道自己要去的是个怎样的地方。譬如说,我要去北京故宫,我首先得知道那是一个有着红色宫墙和金色琉璃瓦的巨大宫殿。抽象一些说,我们要通过一系列特征来确定某一个位置。在我们的大脑中,正存在着这样一种专门负责记住位置特征的神经元。本届诺贝尔生理及医学奖其中一位得主,伦敦大学学院(University College London)的约翰·奥基夫(John O’Keefe),早在1971年就和同事在大鼠大脑中一个叫做海马(hippocampus)的脑区里就发现了这样一种神经元,他们将其命名为“位置细胞”(place cell)。

约翰·奥基夫。他的团队在1971年发现了位置细胞。图片来源:Per Henning/NTNU, wikipedia

当时,他们在大鼠的海马中植入了一个记录电极,然后将大鼠放置在一个空旷的房间中自由活动。他们发现,只有当大鼠处在特定的位置上时,特定的位置细胞才会活跃,奥基夫将那些导致特定位置细胞活跃的区域称为这些位置细胞的发放场(firing field)。大鼠通过各种感官从环境中获取外界的特征信息,而位置细胞则能够和海马中其它的细胞合作,将那些输入的特征信息与过往记录到的不同位置的特征信息加以比对。一旦信息能够匹配上,与那个位置相对应的特定位置细胞就会变得活跃。通过这种方法,我们的大脑能够将特定的特征信息与特定的空间位置联系起来,形成了空间位置记忆。

右图中浅灰色区域为大鼠的脑,深灰色代表海马,橘黄色示意位置细胞所分布的区域。左图为大鼠在空旷房间中的运动轨迹,其中橙色的点表示当记录到某一批位置细胞活跃时大鼠所在的位置,浅橙色圆斑表示理论上这些位置细胞的发放场。图片来源:nobelprize.org

在对位置细胞超过30年的研究中,奥基夫的团队对这类细胞作了更加深入的研究。他们发现,和别的记忆一样,这种空间位置记忆既可能随着时间推移而遗忘,也可以通过反复训练来加强,乃至终身保留。但是这种记忆的特殊之处在于它拥有一定的可塑性:当环境发生一定程度的变化时,这些记忆也可以根据环境改变作出一定的修正,这解释了我们为什么能在周遭环境不断变化时依然可以准确地记住那些地点。此外,奥基夫还注意到位置细胞还可以分出一些亚类,比如有一类专门对活动边界——一堵墙或是一道无法跨越的沟壑——敏感的神经元,他们将其命名为边界细胞(border cell)。

然而,仅仅能够记住地区的特征还不足以解释动物的空间定位能力。如果地图描述了每一个地方的特征,却没有告诉我们这些地点的相对位置,我们依然无法凭借这些信息进行导航。为了能够更好地描述不同地点的位置信息,人们在地图上引入了“经纬度”的概念,这种不依赖于具体位置特征的完全均匀的空间坐标系能够赋予地图上每一个地点一个独一无二且方便查找的坐标。

奥基夫发现位置细胞30多年后,一对科学家夫妇,迈-布里特·莫泽(May-Britt Moser)和她的丈夫爱德华·莫泽(Edvard I. Moser)通过一系列实验证明,动物的大脑当中也存在类似的建立空间坐标系的机制。这些发现使他们与奥基夫共享了今年的诺贝尔生理学或医学奖。

迈-布里特·莫泽(左)和丈夫爱德华·莫泽(右)。图片来源:The Kavli Institute at the NTNU, wikipedia

在此之前,学术界普遍认为,动物的空间定位能力完全来自于海马的记忆,因此对于空间定位机制的研究也一直局限在海马内部。而莫泽尔夫妇在奥基夫以及该领域另一位大牛理查德·莫里斯(Richard Morris)的实验室做访问学者期间,独辟蹊径地想到空间定位机制可能还依赖于海马之外的脑区。他们从投射向海马的上游神经元入手,经过多年努力搜索,终于在2005年于海马以外一个叫做内嗅皮质(entorhinal cortex)的脑区里发现了一种全新的神经元,他们将其命名为网格细胞(grid cell)。虽然网格细胞的活跃也和动物所处的位置有关,但是与位置细胞不同,网格细胞的活跃并不依赖于外界输入的特征信息,任意一个网格细胞的发放场在空间中均匀分布,并且呈现出一种蜂巢式的六边形网格状。

左图示意当大鼠在空旷房间中运动时,某一个网格细胞的发放场。可以看出这些发放场呈现出均匀的六边形分布。右图示意网格细胞在大鼠脑中的相对位置。图片来源:nobelprize.org

网格细胞的这种独特的活动模式当时在神经科学中可以说闻所未闻,这给与了莫泽夫妇大展拳脚的广阔空间。他们一鼓作气,对网格细胞的工作机制进行了更加深入的探索。他们发现,早些年发现的另外两种细胞,即之前提到的边界细胞以及位于海马下托(subiculum)的头部方向细胞(head-direction cell),都与网格细胞具有广泛的功能联系。其中,头部方向细胞的功能在于分析来自前庭系统的信息以确定头部朝向的方向。

后来,随着计算神经科学的发展,科学家逐渐揭示出网格细胞可以整合来自边界细胞的边界信息、来自头部方向细胞的方向信息以及来自视觉和本体感觉的距离信息,并通过一些复杂的算法来确定自己在这个六边形坐标系中的精确坐标。

有了网格细胞确定的坐标系,有了位置细胞记录的位置特征,再加上边界细胞划定的边界,在大脑中绘制地图所需的基本信息也就完备了。顺着这个思路,莫泽夫妇、奥基夫以及该领域的许多其它科学家很快就建立起了一套不同导向细胞之间相互协作的理论模型。

示意来自海马(橙色)的位置细胞与边界细胞与来自内嗅皮质(蓝色)的网格细胞共同构建了动物大脑中的“认知地图”。图片来源:nobelprize.org

不久之后,研究者在包括人类在内的基本上所有哺乳动物脑中都发现了类似的空间定位系统,为这套理论的实际运用铺平了道路。一方面,空间位置记忆作为记忆的一种,被广泛运用到学习记忆机制的研究中。被各大实验室广泛采用的空间恐惧记忆,就是基于这套理论所建立的行为范式,为深入理解学习记忆的机制提供了良好的研究工具。另一方面,这套理论也被应用于人类身上。一项调查显示,穿梭于迷宫般的伦敦街道的出租车司机拥有更为发达的海马,这些结果提示,只要勤加练习,大脑中的GPS也可能变得更加性能卓越。此外,如阿兹海默病(Alzheimer’s Disease,AD)等许多疾病会导致患者出现不认识路的症状,关于定位与导航的研究可以帮助医生和科学家加深对这些疾病的认识,从而更好地诊断、治疗这些病症。

奥基夫和莫泽夫妇的工作为人类理解认知机制,探索神经科学做出了杰出的贡献。即使无需动用位置细胞,他们在科学发展中的位置,也必将会被人们所铭记。

今天下午,果壳网将直播2014诺贝尔物理学奖的颁奖,并对得奖者的相关研究进行解读。敬请关注。

(编辑:Calo)

参考资料:

  1. nobelprize.org: Scientific Background: The Brain’s Navigational Place and Grid Cell System
  2. Schmidt-Hieber, C., & Häusser, M. (2013). Cellular mechanisms of spatial navigation in the medial entorhinal cortex. Nature neuroscience, 16(3), 325-331.
  3. 陈筱歪,大脑 VS. 导航仪, 谁能帮我找到方向,科学松鼠会
  4. 资讯小分队,大脑如何画地图,科学松鼠会
  5. Wikipedia:Grid cell
  6. Wikipedia:Place cell
  7. Wikipedia:Boundary cell

文章题图:nobelprize.org

拓展阅读

【2014诺贝尔奖】生理学或医学奖直播/解读贴

热门评论

  • 2014-10-07 09:17 Calo 果壳科技编辑
    引用文章内容:只要勤加练习,大脑中的GPS也可能变得更加性能卓越。

    吾等路痴之福!

    [8] 评论
  • 2014-10-07 13:29 切伦科夫扶手

    话说这几位这的不是研究思维钢印的吗?

    [3] 评论

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全部评论(35)
  • 1楼
    2014-10-07 09:17 Calo 果壳科技编辑
    引用文章内容:只要勤加练习,大脑中的GPS也可能变得更加性能卓越。

    吾等路痴之福!

    [8] 评论
  • 2楼
    2014-10-07 09:53 鬼谷藏龙 神经科学博士生
    引用@Calo 的话:吾等路痴之福!

    是不是有一张图切坏了?

    [0] 评论
  • 3楼
    2014-10-07 10:07 D00弟

    在这漫漫人海之中!我一眼就找到了你!欠的2毛5啥时还呀!

    [1] 评论
  • 4楼
    2014-10-07 10:19 IVV万岁

    看了@鬼谷藏龙 的科普,还是没能明白网格细胞如何通过六边形定位的。发射场这些概念完全不懂。

    [2] 评论
  • 5楼
    2014-10-07 10:27 鬼谷藏龙 神经科学博士生
    引用@IVV万岁 的话:看了@鬼谷藏龙 的科普,还是没能明白网格细胞如何通过六边形定位的。发射场这些概念完全不懂。

    发放场,如果某类神经元的活跃和动物所在的空间位置有关,这些神经元在这些特定的空间区域活跃而在这些区域以外不活跃,那么会让这些神经元活跃的空间区域就被称为这些神经元的发放场。

    六边形定位,任意单个网格细胞的发放场在整个空间均匀分布,而且这些发放场的排列方式呈现出六边形。这相当于把一篇空间区域划分出一个一个的格子,每个格子都有一个独一无二的编号。这样某个具体地点只要与特定的格子对应起来就能知道它在空间中所处的位置了。

    那张图不知怎么没有显示完整,完整的图在此:

    [1] 评论
  • 6楼
    2014-10-07 10:33 IVV万岁
    引用@鬼谷藏龙 的话:发放场,如果某类神经元的活跃和动物所在的空间位置有关,这些神经元在这些特定的空间区域活跃而在这些区域以外不活跃,那么会让这些神经元活跃的空间区域就被称为这些神经元的发放场。六边形定位,任意单个网格细胞...

    哦,明白了,这样非常节省神经元呢。。那是否对应的空间中的区域,也是呈六边形的呢?网格细胞编码和空间区域的坐标是什么关系

    [0] 评论
  • 7楼
    2014-10-07 10:36 鬼谷藏龙 神经科学博士生
    引用@IVV万岁 的话:哦,明白了,这样非常节省神经元呢。。那是否对应的空间中的区域,也是呈六边形的呢?网格细胞编码和空间区域的坐标是什么关系

    额,网格细胞本身不是六边形分布的,但是他们对应的空间中的区域是呈六边形的。

    你可以理解为空间当中任何一个特定坐标都会引起特定组合的网格细胞的兴奋。

    [0] 评论
  • 8楼
    2014-10-07 10:49 SLAP
    引用@鬼谷藏龙 的话:额,网格细胞本身不是六边形分布的,但是他们对应的空间中的区域...

    文中描述有点误导性……让人以为网格细胞的分布是六边形式的……

    [1] 评论
  • 9楼
    2014-10-07 10:50 鬼谷藏龙 神经科学博士生
    引用@Cesrate 的话:文中描述有点误导性……让人以为网格细胞的分布是六边形式的……

    是因为没有强调发放场是一个现实空间中的概念么?

    [1] 评论
  • 10楼
    2014-10-07 12:30 Calo 果壳科技编辑
    引用@鬼谷藏龙 的话:发放场,如果某类神经元的活跃和动物所在的空间位置有关,这些神经元在这些特定的空间区域活跃而在这些区域以外不活跃,那么会让这些神经元活跃的空间区域就被称为这些神经元的发放场。六边形定位,任意单个网格细胞...

    好奇怪..换掉了

    [0] 评论
  • 11楼
    2014-10-07 13:29 切伦科夫扶手

    话说这几位这的不是研究思维钢印的吗?

    [3] 评论
  • 12楼
    2014-10-07 17:11 筱釉

    似懂非懂,大概明白是怎么回事了

    [0] 评论
  • 13楼
    2014-10-07 21:41 呆毛狮王

    三十年的夫妻档,不容易啊……

    努力练习升级海马装置,就有可能获得【人肉GPS】成就!

    [0] 评论
  • 14楼
    2014-10-08 00:13 疯狂的琼脂

    小生认为,像我这样的路痴网格细胞应该呈现为平行四边形。

    [2] 评论
  • 15楼
    2014-10-08 00:59 鬼谷藏龙 神经科学博士生
    引用@疯狂的琼脂 的话:小生认为,像我这样的路痴网格细胞应该呈现为平行四边形。

    这是为何?

    [0] 评论
  • 16楼
    2014-10-08 07:32 we_cry 空间信息与数字技术专业
    引用@鬼谷藏龙 的话:这是为何?

    和 GPS 坐标转化比较容易吧,

    用了进击的浏览器 网页从此没广告
    [0] 评论
  • 17楼
    2014-10-08 07:34 we_cry 空间信息与数字技术专业

    以及 Mozer 夫妇真的男的很帅,女的很漂亮!

    用了进击的浏览器 网页从此没广告
    [0] 评论
  • 18楼
    2014-10-08 10:45 疯狂的琼脂
    引用@鬼谷藏龙 的话:这是为何?


    空间识别能力等级太低,大脑空间能力不健全。

    [1] 评论
  • 19楼
    2014-10-08 23:41 遵诫者

    我认真看了这篇文章,据我推理,网格细胞呈现的六边形空间区域,是由老鼠的视线关注区域决定的。如用档板减少老鼠的视线宽度,就有可能会形成大于六边型的空间区域,会行成如:7、8、9、10……边型的区域,大于的边界是由老鼠最窄视线宽度决定。如在一块高底不平的房间里,会形成由地型变化的不规则空间区域。我对大脑工作机理非常感兴趣,不知原文献有没有这方面的描述,如有,能否提供些这方面的中方资料。如没有,可否按我的推理做个实验验证一下。为了深层次了解我们大脑的工作原理,劳驾了。

    [0] 评论
  • 20楼
    2014-10-09 00:42 已注销用户

    我的海马体一定是坏掉了

    [0] 评论
  • 21楼
    2014-10-09 08:32 我想好了

    想问一下,小鼠会有意识的利用网格细胞进行小鼠界“经纬度”的划分吗?为什么我们对经纬度没有什么感觉?

    来自果壳精选

    [1] 评论
  • 22楼
    2014-10-09 08:57 Sincere_passion
    引用@遵诫者 的话:我认真看了这篇文章,据我推理,网格细胞呈现的六边形空间区域,...

    作者刚说不是网格细胞呈现六边形,是其所对应的现实的区域呈六边形。。。

    [1] 评论
  • 23楼
    2014-10-09 11:55 鬼谷藏龙 神经科学博士生
    引用@我想好了 的话:想问一下,小鼠会有意识的利用网格细胞进行小鼠界“经纬度”的划分吗?为什么我们对经纬度没有什么感觉?来自果壳精选

    我们之所以能够知道某个地方在另一个地方的哪个大致方位,靠的就是这种机制。

    [0] 评论
  • 24楼
    2014-10-09 13:12 None

    均匀分布的隐藏层。。。这完全就是多层神经网络嘛!

    [0] 评论
  • 25楼
    2014-10-12 08:51 Energy

    之前我在YBJ教授处补习物理时,教授就讲,最近诺贝尔医学奖公布了,大意是人脑自带GPS功能。

    然后,一同学:哦?人脑自带PS功能?

    [0] 评论
  • 26楼
    2014-10-12 10:18 鬼谷藏龙 神经科学博士生
    引用@Energy 的话:之前我在YBJ教授处补习物理时,教授就讲,最近诺贝尔医学奖公布了,大意是人脑自带GPS功能。然后,一同学:哦?人脑自带PS功能?

    唔……似乎也有道理啊,情人眼里出西施什么的……

    [0] 评论
  • 27楼
    2014-10-13 21:57 IVV万岁
    引用@鬼谷藏龙 的话:额,网格细胞本身不是六边形分布的,但是他们对应的空间中的区域是呈六边形的。你可以理解为空间当中任何一个特定坐标都会引起特定组合的网格细胞的兴奋。

    好像网格细胞分布确实是成六边形的哦。

    [0] 评论
  • 28楼
    2014-10-13 22:35 芦苇逸子
    引用@鬼谷藏龙 的话:额,网格细胞本身不是六边形分布的,但是他们对应的空间中的区域是呈六边形的。你可以理解为空间当中任何一个特定坐标都会引起特定组合的网格细胞的兴奋。
    你好,为什么会选择6边形区域定位,网格细胞的这种定位是对外界什么信息做的反馈,是记忆中原有的位置信息吗?那实质就应该是这种比对机制确定了老鼠的正确定位,比对在分子水平上或者计算上具体是怎么实现的呢?谢谢你。


    [0] 评论
  • 29楼
    2014-10-13 22:46 鬼谷藏龙 神经科学博士生
    引用@IVV万岁 的话:好像网格细胞分布确实是成六边形的哦。

    我印象中似乎不是,我再查查看。

    [0] 评论
  • 30楼
    2014-10-13 22:48 鬼谷藏龙 神经科学博士生
    引用@芦苇逸子 的话:

    不是,根据之前我看的文献,是网格细胞根据各种感觉的反馈计算自己的运动适量,然后不断反馈到六边形坐标系中。

    [0] 评论

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