2014年的諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎頒給約翰·奧基夫博士，梅-布里特·莫澤和愛德華·莫澤博士夫婦，以表彰他們在大腦中發(fā)現(xiàn)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(chǔ)性突破。
 

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

    2014年度獲獎?wù)叩奶剿?，顯著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(qū)發(fā)現(xiàn)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·莫澤和愛德華·莫澤則在內(nèi)嗅皮層發(fā)現(xiàn)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(zhí)行***任務(wù)都至關(guān)重要。

    一個“問題”,困擾了哲學(xué)家和科學(xué)家好幾個世紀

    大腦功能問題，已經(jīng)困擾了哲學(xué)家和科學(xué)家很長時間。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)家愛德華·托爾曼則認為，大腦中有一種地圖狀的空間再現(xiàn)，1948年，他提出，動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)境探索進而形成認知地圖。

    行為學(xué)家中普遍流行的觀點認為，通過感覺—行動的相互作用，動物能獲得復(fù)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(fù)雜行為。

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

    給動物“自由”,奧基夫發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)戰(zhàn)倫敦派克里特墻大學(xué)，從上世紀60年代后期開始研究動物行為。1971年，他與達斯卓沃斯基一起，在限定空間里能自由活動的老鼠大腦海馬區(qū)背緣，發(fā)現(xiàn)了位置細胞。

    在以往的任何大腦細胞觀察中，位置細胞的興奮從未被發(fā)現(xiàn)過！當老鼠經(jīng)過所處環(huán)境中的特殊位置時，一些獨特的位置細胞異常興奮。通過系統(tǒng)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(xiàn)象對環(huán)境呈現(xiàn)出一種復(fù)雜的“格式塔”現(xiàn)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。

    不同的位置細胞會在不同的位置表現(xiàn)出興奮狀態(tài)，這些狀態(tài)組合起來生成一個內(nèi)置神經(jīng)地圖，即空間感。他還發(fā)現(xiàn)，在不同時間和不同環(huán)境下，位置細胞的興奮點能形成一個多層次的復(fù)合地圖。認知地圖理論在大腦中得以呈現(xiàn)。

    合理記錄動物自由活動的技術(shù)得以發(fā)展是奧基夫?qū)嶒灥南葲Q條件。當時絕大多數(shù)研究者使用的方法，是對動物行為進行限制性測試，或采用嚴格的**—反應(yīng)模式。相反，奧基夫在自然行為狀態(tài)下記錄細胞反應(yīng)，由此可觀察到代表空間感的獨特神經(jīng)反應(yīng)。

    在1978—1987年的工作中，奧基夫的實驗證實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，這種行為通過學(xué)習(xí)獲得，一旦設(shè)定，可以穩(wěn)定地持續(xù)一段時間。

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

    走出“海馬區(qū)”,莫澤夫婦發(fā)現(xiàn)內(nèi)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(qū)。挪威科學(xué)家梅-布里特·莫澤和愛德華·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，此后都作為訪問學(xué)者來到艾丁伯格學(xué)習(xí)，還師從過在倫敦的約翰·奧基夫。

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

    在老鼠大腦背緣有一個內(nèi)嗅皮層結(jié)構(gòu)，它是海馬區(qū)信息的輸入端，也恰好延伸到了海馬區(qū)背緣——正是在這里奧基夫發(fā)現(xiàn)了位置細胞。2005年，莫澤夫婦讓動物在更大的空間中自由活動時，竟發(fā)現(xiàn)了一種新的細胞類型——網(wǎng)格細胞，這類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。在開放空間中多個地點呈現(xiàn)出的神經(jīng)興奮點形成一個個與蜂巢類似的六邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。六邊形放電模式能夠覆蓋所處空間的每一個點。這相當于地圖中由經(jīng)緯線組成的網(wǎng)格。在大腦細胞中的網(wǎng)格模式還從未被發(fā)現(xiàn)過！

    莫澤夫婦還陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，六邊形網(wǎng)格區(qū)域的大小會有所變化；網(wǎng)格的形成來自復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)活動；網(wǎng)格細胞是***和路徑整合系統(tǒng)的一部分；網(wǎng)格系統(tǒng)能測量運動距離，能為海馬區(qū)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(nèi)，網(wǎng)格細胞都能被調(diào)動起來；網(wǎng)格細胞與位置細胞在理論模式上的聯(lián)系、病變實驗以及地圖重置實驗等。

    莫澤夫婦的系列發(fā)現(xiàn)成果，為人類進一步解開大腦空間***功能神經(jīng)機制，開辟了一個嶄新的研究路徑。

    人類并不“特殊”,兩種細胞在動物進化中表現(xiàn)很強大

    位置細胞和網(wǎng)格細胞在老鼠以外的哺乳動物中也廣泛存在。人類大腦擁有大量海馬內(nèi)嗅結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)被認為與空間學(xué)習(xí)和記憶能力密切相關(guān)。一系列研究認為，人類大腦也擁有一個類似的空間編碼系統(tǒng)。

    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，每個位置細胞都會記錄特定的位置信息，最后這些細胞會形成一幅“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(diào)查時，對大腦神經(jīng)細胞進行過直接記錄，在海馬區(qū)發(fā)現(xiàn)了類似位置細胞的細胞，也在內(nèi)嗅皮層發(fā)現(xiàn)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，人類大腦內(nèi)嗅皮層區(qū)域的確存在網(wǎng)格細胞。

    哺乳動物海馬內(nèi)嗅皮層和非哺乳脊椎動物類海馬結(jié)構(gòu)的***能力具有相似性，這揭示了一點——網(wǎng)格位置細胞系統(tǒng)是脊椎動物進化過程中被保留下來的基礎(chǔ)性系統(tǒng)，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行編碼，還能對剛剛經(jīng)過的地方以及即將去的地方進行編碼。如果動物在兩個不同環(huán)境中快速進行遠程運輸，位置細胞會對位置信息進行重疊存儲。

    在記憶被編碼以后，記憶還會進行進一步整合，比如在睡夢中。位置細胞在睡夢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(jié)構(gòu)中。

    一項研究表明，在沒有實物地圖的情況下，倫敦出租車司機的自我***能力異常強大，他們的海馬區(qū)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(dǎo)致人類疾病的重要病因。到目前為止，我們還沒找到有效方法來預(yù)防和治療大多數(shù)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(xiàn)，是通往解決之道的一個重要飛躍。

    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物空間記憶惡化有關(guān)。目前研究結(jié)果還未轉(zhuǎn)化成臨床研究和實踐，但海馬構(gòu)造被認為是能影響阿爾茨海默疾病的第一個功能區(qū)域。

    總之，三位科學(xué)家對位置細胞和網(wǎng)格細胞的發(fā)現(xiàn)，展現(xiàn)了一個典型的范式轉(zhuǎn)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(xiàn)極大地促進了對包括人類在內(nèi)的哺乳動物大腦研究。人類大腦如何運行定位系統(tǒng)的研究已經(jīng)呈現(xiàn)出一個嶄新的圖景。

    也有科學(xué)家稱，深層機理尚未闡明

    不過，也有專家抱謹慎態(tài)度。中科院院士、復(fù)旦大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)研究所所長楊雄里說，老年癡呆癥可能涉及海馬區(qū)和內(nèi)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對老年癡呆癥的治療產(chǎn)生重大推動。

    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)國家重點實驗室副主任卓彥感覺出乎意料。“認知科學(xué)中很多與各種知覺相關(guān)的研究都有可能獲得提名。”他說，“但我對大腦定位細胞研究并不了解，沒想到會受到這樣的重視。”

    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，并已得到世界認可。