大脑空间认知：从神经机制到哲学意义*

刘新玉 平燕娜

空间认知与运动导航是大脑的基本功能，不仅与每个个体的生存密切相关，而且对于哲学的发展也具有积极的促进作用。人类是怎么知道自己所处的位置？如何在已知空间中选择从起点到终点的最佳路线？如何在大脑中存储空间方位的相关信息，以便以后能够利用这些信息找到相同的路径？这些问题长久以来一直困扰着哲学家与科学家，而且人类对大脑空间定位和方位感知奥秘的探讨从未停止过。

早在200多年前，德国哲学家Kant就曾提出，人类的空间概念是思想的一种内建原理[1]，即意识中既有的、独立于经验的先天知识，而人类就是利用这些原则来感知和认识周围世界的。然而，直到20世纪中叶，行为科学的发展才使得这类关于空间认知的哲学思辨能够通过实验的手段得以验证。1948年，美国心理学家Tolman[2]通过对迷宫中自由摄食大鼠行为的科学观察和分析，首次提出了“认知地图”假说。这一假说认为通过已有环境信息的记忆，在大鼠大脑中可能存在一种关于迷宫环境的整体信息，这些整体信息就类似于一张现场地图，而大鼠就是利用这张地图实现空间运动导航的。然而，当时并不清楚究竟大脑中的哪些脑区参与了脑内认知地图的构建，也不了解脑内神经元是如何完成这些看似复杂的神经计算过程的。我国的哲学家和思想家在很早以前，也曾对大脑空间方位认知问题进行了思索和探讨。传说15 000年前，先祖燧人弇兹氏就已经知道使用北斗星来进行方位的辨别[3]；而且据史料记载，我们祖先也是最早利用“北斗七星”的斗柄将时间(春夏秋冬)和空间(东西南北)进行统一的；公元前279年，楚国诗人屈原也曾在《天问》中就发出了“遂古之初，谁传道之？上下未形，何由考之？”的追问。

人类对外部世界认识的提高往往得益于新技术和新方法的突破。在体神经电信号采集技术的日趋成熟极大地促进了大脑空间认知的研究。1971年，英国神经科学家O'Keefe等[4]利用微电极在体记录技术首次在大鼠海马CAI区发现了具有空间选择性的椎体神经元，并将其命名为“位置细胞”，这一发现为“认知地图”假说提供了物质层面上最直接的证据，也使得人类对于大脑是如何实现空间方位认知这一哲学问题有了越来越深入的认识。本文基于大脑空间认知研究的相关知识，首先简要概述了与大脑空间认知相关功能神经元的响应特性及其作用，然后从本体论、认识论、方法论三个方面探讨了大脑空间认知研究的哲学意义，并在此基础上探讨了大脑空间认知研究的哲学启示。

1 大脑空间认知的神经机制

在过去的40年里，大脑海马区位置细胞、内嗅皮层网格细胞和边界细胞与存在于多个脑区的头朝向细胞等与空间方位认知相关的功能神经元相继被发现，这一系列具有特定功能的神经元通过相互协同作用，共同构成了大脑空间认知系统(图1)。图1中的圆弧线表示视觉标志物位置。当我们在一个特定环境空间中进行运动时，位置细胞负责为大脑提供我们所处位置和我们要去位置的特征信息；而网格细胞则负责为大脑制定坐标系，即当我们从一个位置出发后网格细胞就通过不断的整合距离和角度等信息，将环境中的其他位置与我们的当前位置进行联系；边界细胞则使我们能够感知环境空间中的尽头在哪里，以及其与环境空间的相对位置信息；头部朝向细胞则负责为我们提供头部运动的方向信息[5]。

图1 大脑空间方位认知细胞及其特征

1.1 位置细胞及其特性

位置细胞是在1971年由英国伦敦大学学院O'Kefee在大鼠海马CA1区(cornu ammonis 1，CA1)首先发现的。首先将微电极阵列植入到大鼠海马CA1区，然后让其在一个陌生的房间自由走动，并记录大鼠海马CA1区神经元活动信号。通过对神经信号分析发现，当大鼠在该环境空间中一些特定区域时，海马CA1区一些神经元的放电频率会显著增加，而在特定区域以外的地方，这些神经元的放电频率很低，甚至完全没有放电活动。根据这一特性，将这类神经元命名为位置细胞，其激活所对应的特定空间区域被称为位置细胞的位置野。

1.2 网格细胞及其特性

网格细胞是在2004年由Moser夫妇领导的研究组在大鼠内侧内嗅皮层(medial entorhinal cortex，MEC)首先发现的[6]。让大鼠在大空间中自由运动，记录大鼠MEC区神经元空间放电活动，结果发现，这些MEC区神经元的空间放电活动对空间中的多个特定空间位置产生了规律性的可重复放电，若将这些神经元所有放电位置野中心互相连接，则相邻位置野中心就构成了一系列相连的正三角形，这些相邻的正三角形就像网格一样铺满了整个空间的二维平面。

1.3 头朝向细胞及其特性

头朝向细胞在1984年由美国纽约州立大学Brooklyn分校Ranck课题组[7]在大鼠前下托和旁下托脑区发现。头朝向细胞是一类当大鼠头部朝向特定方向时，其锋电位发放频率会显著增加的神经元，与动物所处的空间位置没有关系。

1.4 边界细胞及其特性

边界细胞最初是由O'Keefe等[4]和Hartley等[8]为了揭示位置细胞的形成机理而虚拟的一类空间认知导航功能神经元，并于2008年由Moser夫妇在实验中得到证实[9]。边界细胞是一类当大鼠位于封闭环境的边界旁时锋电位放电频率会显著增加的细胞，其存在于内嗅皮层、下托、前下托及旁下托等多个脑区中。

2 大脑空间认知研究的哲学意义

当前关于大脑的研究成果直接影响着哲学中许多问题的走向和进一步的解决。尽管我们目前对于大脑的空间定位、方位感知等功能认识已十分深入，但是如何对这些脑科学研究的成果进行升华，进行哲学解读与转化，并从中提取出对哲学理论研究和发展具有意义的理论和思想，还需要进一步的探讨。下面从本体论、认识论和方法论三个角度论述大脑空间认知研究的哲学意义。

2.1 大脑空间认知研究的本体论意义

我在哪？我们怎么知道家在哪？是否来过这里？鸟类飞越千里为什么还能知道回家的路？……从古至今，哲学家和科学家一直在探索着人类和动物进行空间方位认知的奥秘。大脑的空间认知系统的发现对于我们认识自身、精神自我的研究以及驳斥超心理学等精神万能论都有着十分重要的意义。

从本体论的角度讲，大脑空间认知等脑科学的研究对于精神自我的研究具有极大促进作用。人之所以为人，在于他有自己的精神生活和精神世界，他的知识、经验、个性、智慧就是其精神自我[10]。从对本体论的意义来看，大脑空间认知等脑科学的研究成果从实证的角度阐述了精神自我的存在和相对独立性。在对大脑进行科学研究之前，我们对于精神自我及意识能动性的研究只是缺乏科学证明的形而上学的猜想和臆断。此外，大脑方位认知等现代脑科学的研究成果对精神自我的多样性及复杂性也进行了突出的强调，健全的精神自我应该是理性与非理性、意识与非意识的对立统一体[10]。

此外，大脑空间认知的研究对本体论的意义还在于其驳斥了所谓的超心理学和一切林林总总的精神万能论学说。人之所以能够感知方位等外部世界的信息，并能在复杂的环境中进行方位认知和行为导向，并不是超心理学派所宣称的人类具有超感官知觉，而是在动物和人大脑中存在有能够感知位置、方向、边界等信息的特殊类型的神经细胞，如能够感知位置的位置细胞、感知方向的头朝向细胞以及最近发现的感知速度信息的速度细胞等[11]。

2.2 大脑空间认知研究的认识论意义

认识论是一种探讨人类认识相关问题的哲学学说，其包括认识的本质与结构、前提与基础、真理标准及认识发生发展的过程及其规律等。从认识论的角度来看，大脑空间认知的研究不仅符合认识论的规律，而且将会促进脑认知相关问题的哲学研究。无论是位置细胞还是边界细胞，其位置野的形成都是通过对外界环境的不断熟悉逐渐形成的，也是一个从无到有，通过不断学习、修正、再学习的过程，随着大脑对空间认识的逐渐深入，最后形成一个稳定的位置野。毛泽东曾在《实践论》中指出：认识是一个无止境的过程，随着实践活动的进展，原先的认识将不再适用，原来建立的结论也可能失真甚至变成谬误。这就要求我们能够在实践中，不断深化认识，以实现对实践活动的准确把握。因此，通过研究大脑的空间认知规律，将为人类解决长期以来的空间认识困境，揭示心灵-大脑的关系提供良好的平台。

无论是作为近代科学源泉的古希腊哲学，还是伦理色彩比较浓厚的中国古代哲学，有关认知的问题就一直是哲学的重要课题。人如何认识世界？人何以能够认识外界事物？换句话说就是，思维和存在有无同一性以及思维和存在如何达到同一的问题。这是一个重大的意识本性问题[10]。因此，大脑空间方位认知的研究对于认识论的意义还在于其极大地促进了思维和存在同一性问题的解决。大脑空间认知的研究成果已经充分说明了人类之所以能够认识外部世界是因为人类具有异常发达的大脑以及数量众多的分工明确并协同工作的功能性神经元，同时还具有健全的精神自我。马克思主义认识论告诉我们，世界是可知的，任何客观事物的运动都有其固有的规律性，人们可以在与客观事物的接触中，了解、掌握客观规律，并予以掌握和利用[12]。因此，对于大脑空间认知的研究将极大地促进思维和存在同一性问题的解决。

2.3 大脑空间认知研究的方法论意义

方法论是普遍适用于各门具体社会科学并起指导作用的范畴、原则、理论、方法和手段的总和[13]。任何伟大的发现都得益于科学技术的突破，大脑空间方位研究也不例外，在体电生理神经信号采集技术的日益成熟极大地促进了大脑神经科学的研究。在20世纪中叶，诺贝尔生理学或医学奖获得者Hubel和Wiesel[14]通过利用微电极阵列成功记录到了猫初级视觉皮层神经元的放电模式，为大脑其他区域的神经元放电模式的研究奠定了基础。利用这一技术，O'Keefe在自由活动的大鼠海马区首次发现了对特定位置敏感的位置细胞，开启了人类对大脑空间方位认知的研究，也为人类认识自身和揭示心灵-大脑的关系提供新的理论和方法。

法国哲学家Descartes在《正确思维和发现科学真理的方法论》一书中曾经提出：“把复杂的东西化为最简单的东西，例如把精神实体简化为思维，把物质实体简化为广延。”[15]自1971年位置细胞被发现之后，人类对于大脑空间认知的研究进展十分缓慢，直到34年后网格细胞的发现，才使大脑空间认知的研究进入新的时代。其实，在更早的时候Moser夫妇就已经记录到了网格细胞，但是由于实验过程中记录的场地太小，获得网格细胞的活动规律显得十分杂乱，难以有效辨别。后来，当把大鼠放置在一个相对较大空间中时，网格细胞的位置野才呈现出清晰的具有六边形形状的连接规律。因此，脑空间认知研究的历程从神经生物基础方面强有力地佐证了马克思主义方法论的正确性。在脑科学研究中也应利用科学的方法，自觉运用客观世界发展的辩证规律，一切从实际出发，方能洞悉世界万物的本质。

3 大脑空间认知研究的哲学启示

黑格尔在《小逻辑》一书中曾提出：哲学是一种特殊的思维运动。因此，从辩证的角度看，空间认知等关于大脑思维机制研究本身也是哲学研究的具体体现，也必将对哲学的研究起到重要的启示作用。揭示大脑空间认知研究对于哲学研究的启示是多元的，我们认为具体可以概括为以下两个方面：其一，哲学研究应该从传统思辨模式向科学思维方式转变。尽管黑格尔等先哲们认为哲学是思维的运动，但是从古至今，对于哲学的研究大都是基于思辨的方式进行的，这种方式容易受到大脑思维的局限，使得哲学在神学和科学之间左右摇摆，局限了哲学的发展。因此，空间认知等脑科学发展会促使哲学向科学靠拢，也将极大弱化哲学家自身个性对哲学研究的影响。其二，哲学研究应该借助现代科学技术进一步武装自己。任何伟大的发现都得益于新技术和新方法的突破，作为科学之母的哲学也不应例外。脑科学作为最接近哲学研究的现代科学，在哲学研究中应该充分利用脑科学的研究成果，总结和发展出适用于哲学研究的科学技术与方法，对于哲学的研究将会颇有益处。

毋庸置疑，只有在认识和实践活动中自觉地运用客观世界发展的辩证规律，并结合现代先进的科学方法，人类才能对外界事物有深刻的认识。脑科学的研究成果对于哲学的启示远不止文中所论及的这些方面，上述的论述也只是本人在大脑空间认知与导航研究过程中的一些拙见。不过，可以肯定的是，大脑空间认知的研究对于人类认识自身和认识世界都有着十分重要的意义，而且空间认知之谜的破解对于哲学、自然科学甚至社会科学都将产生深远的影响。