发现脑中“GPS”

文- 洪 波

你可能发现自己或身边的一些朋友不善记路，俗称“路痴”。年纪大的人路痴更严重，如果其中有人不幸得了老年痴呆，找不着家更是经常的。相反，我们很佩服出租车司机在城市里绕来绕去都不会迷路的本领。

路痴真相

2014年的诺贝尔生理学或医学奖，授予了师徒三人——英国神经生物学家约翰·奥基夫（John O'Keefe）和挪威生物学家爱德华·莫泽（Edvard Moser）、梅-布里特·莫泽 （May-Britt Moser）夫妇。他们的研究告诉我们，路痴不是你的错，很可能是你的空间定位系统，也就是大脑中的GPS出了问题。研究发现一些特殊的神经细胞构成了大脑中精巧的定位系统，充当你的内置GPS。

约翰·奥基夫

梅-布里特·莫泽（左）和爱德华·莫泽夫妇

大脑中的GPS究竟在哪？如果有机会给“路痴”和出租车司机做个磁共振成像，我们会发现他们的大脑有个地方——“海马”（Hippocampus）可能不同，出租车司机的海马比“路痴”的大些。这里的海马不是海洋鱼类，而是我们大脑深部一个长得像海马的结构，它是大脑存储记忆的转运站。

世间万物都在“认知地图”上

白天碰到的人和事，学到的知识，晚上睡觉时很可能会从大脑皮层转运到海马，待海马收拾整理完毕，再送回大脑皮层表面哪些遍布皱褶的地方，这才算正式成为记忆巩固下来。今年诺贝尔生理学或医学奖的研究集中在海马和它临近的脑区，特别是连接海马和大脑皮层表面的内嗅皮层（Entorhinal Cortex）。

看来海马和它周边的脑组织很重要，既管空间定位，又管记忆整理。一般我们记得的人和事是和地点联系在一起的，如前天我和家人去了什刹海，划了船，这一记忆的片段首先是和什刹海这个地方关联在一起的。当然，地点也是由各种物体一起来定义的。如果什刹海是一片平地，周围也什么都没有，那我们根本无法定义什刹海。也就是说，空间定位和人类对客观世界的认知关系密切，这种密切的关系深藏在海马之中。

一个听起来很完美的假设是，我们对世间万物的认知可能都被放在一张“地图”上，即“认知地图”，它把客观物体和地点联系在一起，很可能还把不同物体之间的关系建立起来。在这里，记忆不再是散落的珍珠，一件件人和事都被编织在一起，成为记忆之网。有了认知地图和记忆之网，或者说有了海马，我们才知道自己身处何处。所以诺贝尔颁奖词说，这项研究解决了一个困扰哲学家和科学家几个世纪的问题，确实不为过。

《海马-认知地图》引起大“火”

从我家去什刹海，一路上要经过好几条路，拐好几个弯。这一路上，我大脑中的GPS是怎么工作的？首先，它要知道出发点家的位置，然后根据我前进的方向和速度等运动信息来推算我走到哪里了，还要时刻记得终点什刹海在哪里。这种认路方法在认知心理学上叫“路径整合”。车里的GPS就是这么认路的。那么，海马体中有没有细胞在报告家的位置和什刹海的位置？有没有细胞在报告运动方向和速度这些信息？当然有。

1971年，获奖者约翰·奥基夫首先在大鼠的海马发现了“位置细胞”（Place Cell）。他把微电极植入大鼠的海马，让大鼠们在迷宫里自由探索，发现某些海马细胞只对某个特定的位置敏感，只有大鼠跑到这个特定位置时，这些细胞才有放电活动。

如果有足够时间慢慢找，就会发现迷宫里每一个位置都有一群特定的海马细胞负责，到了自己的“领地”，这群细胞就会放电。这个现象让奥基夫非常激动，他认为如果每个地方都由位置细胞来表示，我们的大脑就有了一张认知地图，简单靠谱地把客观世界映射到了我们大脑里。

大脑中的位置细胞

对于位置细胞，其实刚开始只有奥基夫一个人激动，科学界对此并不买账。于是他写了一本书——《海马-认知地图》，因书卖得不怎么样，他干脆把版权从牛津大学出版社买了回来，把书做成PDF放在网上供大家免费下载，直到今天，你仍然可以从cognitivemap.net上免费得到这本书。后来海马和位置细胞研究火得一塌糊涂，成了脑科学一个独立而兴旺的领域。

甚至这把“火”都烧到了我的实验室，有位博士生在我的课上听到位置细胞的故事，觉得太神奇了，一定要做这方面的课题，而且提出了一个很有趣的问题，如果老鼠倒着走，位置细胞还管用吗？如果管用，背后的机理是什么？这个问题听起来有点怪，其实背后的逻辑和启发意义很不错，遗憾的是其他实验室先拿到了结果，我们只记录到了奥基夫发现的另一个实验现象：和位置细胞紧密联系的Theta振荡。

奥基夫得奖一半是因为位置细胞，另一半是因为发现了Theta振荡和位置细胞放电之间的相位关系，这种相位关系居然表示了老鼠在位置细胞领地里的相对位置。故事发展到这里，我们已惊叹于大脑的精妙绝伦。但更精妙的发现还在后面。

网格细胞与“路径整合”

2005年6月的一天，我在霍普金斯医学院图书馆翻看当期的《自然》杂志，第一次读到了莫泽夫妇在内嗅皮层发现网格细胞（Grid Cell）的文章，当时印象最深的是网格细胞排列齐整的六角形“领地”，像很多个正三角形拼接起来的坐标纸。这些正三角形的每个顶点都是网格细胞感兴趣的位置，老鼠跑到这些位置，网格细胞就会放电。甚至大脑的内嗅皮层还存在不同间距的网格细胞，就像不同精细度的坐标纸。

2007年莫泽夫妇访问华东师范大学，我有幸和他们讨论了网格细胞所代表的网格间距问题，他们曾经试过一个18米长的直线迷宫，发现有些网格细胞可代表的网格间距达到2～3米。

网格细胞不仅形式很漂亮，作用更了不起。假如你去了一个陌生城市，要从车站找到要去的酒店，周围的景物和地标都是陌生的，你的海马中根本没有对应每个地点的位置细胞，怎么办？拿出地图，一边走一边看地图，这时你大脑中的网格细胞就开始发挥作用了。

网格细胞根据你走路的方向和速度，一步步推算你走了多远，到地图什么地方了，当然它们还需要一些帮手，如负责表示你的行进方向和速度的细胞等。这个过程就是前面提到的“路径整合”。仅靠这个办法，你大概会迷路，或者你至少需要问问路才能到达目的地。因为每次估算都会有误差，走几个路口，你对方位和距离的判断就不准了。

当然方向感强的人，可通过地图标注核实眼前看到的是哪个商场、哪个咖啡厅，在大脑中临时“造出”几个负责这些特殊地标的位置细胞，帮助校正“路径整合”的误差。你从酒店回车站时，或者下次再来这个城市时，这些“造出来”的位置细胞就会大派用场，你甩开地图也能找到地方了。

大脑中的网格细胞

网格细胞对于空间定位也很重要，特别是在陌生环境中就靠它了。网格细胞的发现再次证明科学是美的，简洁而有规律，莫泽夫妇和奥基夫分享诺贝尔奖当之无愧。有趣的是，位置细胞是在海马发现的，而网格细胞主要在海马旁边的内嗅皮层。

后来莫泽夫妇采用非常精巧的光遗传学技术，发现了网格细胞对位置细胞的直接输入连接，这和理论预测非常一致，说明位置细胞很可能是通过网格细胞的整合产生的。值得一提的是，莫泽实验室的一对中国夫妇——张生家和叶菁在这项工作中做出了重要贡献。

这个诺奖故事告诉我们，应更关爱自己脑中的海马。因研究发现海马非常脆弱，不能缺氧，睡觉打呼噜、颈动脉斑块都会导致海马缺氧萎缩，轻则“路痴”，重则老年痴呆。即使没有这些毛病，也应该保证充足的睡眠，留点时间让你的海马构建你的认知地图，以免迷失自己。

延伸阅读

那些获得诺贝尔奖的夫妻档

2014年诺贝尔生理学或医学奖三位得主中，梅-布里特·莫泽博士和爱德华·莫泽博士是一对夫妇。实际上，在诺贝尔奖的历史上，夫妇均获奖的不乏其人。

开创夫妻同获诺贝尔奖先河的是大名鼎鼎的居里夫妇。玛丽·居里（法国物理学家、化学家）与皮埃尔·居里（法国物理学家）夫妇因对放射性现象的研究，共享了1903年诺贝尔物理学奖（居里夫人还因发现镭和钋元素，提纯镭并研究了其性质及化合物而获得1911年诺贝尔化学奖）。居里夫妇的大女儿和大女婿——伊雷娜·约里奥-居里和弗雷德里克·约里奥-居里夫妇因对人工放射性的开创性研究，共同获得1935年诺贝尔化学奖。有趣的是，居里夫妇小女儿的丈夫亨利·拉波易斯也在1965年荣获诺贝尔和平奖。

格蒂·科里（美国生物化学家）和卡尔·科里（美国生物化学家）夫妇，因发现糖代谢中的酶促反应，共同获得1947年诺贝尔生理学或医学奖。

贡纳尔·默达尔（瑞典经济学家、政治家）和阿尔瓦·米达尔（瑞典女政治家）夫妇则分别于1974年和1982年获得诺贝尔经济学奖、诺贝尔和平奖。