大脑中的GPS

杨先碧

我们如何知道自己身处何方？我们如何找到回家的路？科学家发现，我们的大脑中有一个“GPS”定位和导航系统。这一发现获得了2014年诺贝尔生理学或医学奖。

在日常生活中我们注意到，有的人认路能力非常强，有的人却是典型的“路盲”。无论认路能力差异有多大，但大多数人都能够认识回家的路。那么，我们是怎么知道自己在哪里？我们又如何从一个地方到另一个地方？我们如何在大脑中储存信息以便于下一次能够找到相同的路径？到底是什么在指引我们呢？最新的科学研究发现，人的大脑中有一个GPS（定位导航系统）。2014年诺贝尔生理学或医学奖就是颁给了发现了大脑中GPS奥秘的三位科学家：美国科学家约翰·奥基夫和挪威科学家莫索尔夫妇布里特和爱德华。前者是发现了让人们知道自己身在何处的“位置细胞”，后者则是发现了帮助人们记忆和规划行走路线的“网格细胞”。如果这两种细胞都失灵的话，我们就真的找不到回家的路了。

识别位置

小白鼠因为体积小、食量小，养起来比较方便，而且很聪明，经过训练后可以完成一些独特的任务，因而受到科学家们的青睐。科学家常常以饲养的小白鼠作为研究对象，让小鼠走迷宫就是一种常见的科学研究方法。

1971年，亦即43年前，美国科学家奥基夫就开始训练小鼠走迷宫。他还采用一种特别的手术，在小鼠的大脑里安装了一些微型电极。动物在进行一些日常活动时，大脑中的神经细胞会放电；参与的活动不同，放电的细胞就不同。大脑细胞产生的这些电信号也称“神经信号”，是大脑指挥身体其他部位所发出的信号。奥基夫在小鼠大脑中安装的电极，可以记录大脑细胞活跃时放出的电信号，并把这些电信号发送到记录仪上。

结果，奥基夫的实验发现，这些小鼠走到一个有特殊标记的位置时，大脑中的一些细胞十分活跃，而到了下一个有特殊标记的位置时，另外一些细胞变得很活跃。奥基夫认为，小鼠大脑中的这些细胞就是帮助大脑定位的位置细胞；在所有位置细胞的共同努力合作下，小鼠可以记住迷宫内各个有特殊标记的位置，并利用对这些位置的记忆描绘出一张迷宫“地图”。由于小鼠的大脑和我们人类的大脑有相似之处，因此，科学家推测：人的大脑里也有“位置细胞”。

奥基夫的进一步研究还发现，小鼠的所有“位置细胞”都集中在大脑“海马区”的某个特殊区域。海马区在外形上有些像大海中的海马，是大脑中的重要区域，负责学习和记忆。记忆有很多种，不同的细胞负责不同的记忆，位置细胞负责的就是我们对周围环境的空间记忆。

寻找路线

然而，光有不同位置所形成的“地图”还是不够的，如果大脑只能记住一个个不同的位置，我们还是不可能在纵横交错的道路中找到回家的路。也就是说，只有把这些位置按照合理的顺序连接起来，我们才能找到正确的路线，才不会走冤枉路或迷路。那么，是什么细胞来帮助大脑处理位置细胞所获得的信息呢？这个问题迷惑了科学家整整34年。

直到2005年，挪威科学家莫索尔夫妇才发现，大脑中的GPS还有另外一种细胞，那就是可以记忆和描绘路线的细胞。莫索尔夫妇的研究方法还是让小鼠走迷宫。因为迷宫有许多岔口，如果只记住特殊的位置，记不住岔口处要走的正确方向，那就可能进入“死胡同”，就像我们有时会在十字路口迷路一样。

莫索尔夫妇发现，小鼠经过几次的尝试和学习，居然可以判断出岔路口的正确路线。因此他们认为，小鼠已经具备了在大脑中描绘正确路线图的能力。显然，这种能力并不来源于“位置细胞”。电极的测试结果也是如此：小鼠在岔路口选择路线时，大脑活跃的细胞并不在位置细胞所在的海马区，而是在附近一个叫“内嗅皮层”的区域。由于这些细胞活跃时放电的图样像网格，莫索尔夫妇没有像他人期待的那样称这些细胞为“导航细胞”，而是称它们为“网格细胞”。进一步的研究还发现，网格细胞不仅可以辨别运动的方向，还可以辨别运动的距离、道路的边界。也就是说，网格细胞可以让我们找到一条合理的路线和运动轨迹，从而不会迷路，也不会越出道路。

为什么从“位置细胞”的发现，再到“网格细胞”的发现相隔了整整34年？这就是思维定势让科学家经历了一次又一次的失败。由于海马区是公认的主管记忆的区域，当奥基夫在海马区发现位置细胞后，科学家总是在海马区忙乎，企图在海马区再找到识别路线的细胞，结果没有想到谜底是在海马区之外的“内嗅皮层”。

定位导航系统

如果说“位置细胞”帮我们描绘一张张“地图”，那么“网格细胞”则帮我们设计一条条“路线”。如果说位置细胞帮助我们选择起点、途经点和终点等位置，那么网格细胞则把这些位置串起来，起到导航的作用。两者合起来，就构成了我们大脑中的定位导航系统。定位导航能力是动物大脑的基本能力之一。如果不具备这样的能力，动物就不能在自然界中主动地参与觅食、求偶和育幼等活动，动物也就很难由低级向高级进化，人类也就不会出现在地球上。

俗话说：老马识途。然而，老人们并不一定识途。有的爷爷奶奶到了一定年岁后特别容易迷路，他们一出门就找不到回家的路了。这是因为他们患上了“老年痴呆症”，更为科学的说法是“阿尔茨海默症”。得了这种病就如同汽车的GPS系统失灵了。在弄清楚包括位置细胞和网格细胞在内的识路细胞的作用之后，科学家希望能借此开发出一些增强和改善这些细胞功能的药物，重启老年痴呆患者大脑中的GPS，让他们重新拥有识路的能力。因此，研究大脑中的GPS系统不仅在医学上具有理论价值，更具有非常实际的用途。

在危机重重的战场上，如果不能按照正确的路线前进，随时都可能面临生命危险。因此，强烈的空间感和识路能力对战士来说特别重要。科学家希望未来不是通过基因改造的方法，而是用药物刺激的方法，能够升级健康人大脑中的定位系统，打造出具有极强空间感和特殊识路能力的超级战士。这些超级战士能够随时发现环境中的异常变化，找到一条能够有效避免潜在危险的合理路线，顺利地完成侦查、爆破、诱敌、杀敌等作战任务。