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2014年度诺贝尔生理学或医学奖解读:大脑内部“GPS”
2014-10-13 09:27:49   来源:健康报

核心提示:如何知道自己身在何处,又如何识别来路,这是一个哲学问题还是科学问题?2014年诺贝尔生理学或医学奖的获奖选项告诉我们答案是后者。虽然与大脑中无数神经元和细胞相比,关于大脑GPS——大脑定位系统的发现只是冰山一角,但仍为人类认知自我、探究精神和智力的奥秘打开了大门

揭秘大脑内部的“GPS”——大脑定位系统

我们如何知道自己身在何处,又如何识别来路,这是一个哲学问题还是科学问题?2014年诺贝尔生理学或医学奖的获奖者——约翰·奥基夫、梅-布里特·莫泽和爱德华·莫泽告诉我们,答案是后者。虽然与大脑中无数神经元和细胞相比,关于大脑GPS——大脑定位系统的发现只是冰山一角,但仍为人类认知自我、探究精神和智力的奥秘打开了一扇大门。

空间认知领域里程碑式的发现

“实至名归。”北京大学神经科学研究所研究员伊鸣谈及此次获奖成果难掩兴奋。作为获奖者约翰·奥基夫的学生,他曾在英国伦敦大学学院解剖与发育生物学系神经科学专业学习了5年半,研究领域正是小鼠海马神经网络动力学变化及其与动物病理学及行为学变化的相关性。

为了让记者更好地理解3位科学家对于空间认知发展的巨大贡献,伊鸣拿出了其所讲授的研究生课程PPT,为记者上了生动一课。

“科学界对空间认知的研究,可以追溯到上世纪30年代~40年代。当时,全球认知心理学领域顶级专家Lashley提出了‘刺激反应模型’,从心理学角度对空间认知进行了解释,其基本理论是个体对于空间认知的过程来自于对视觉、听觉等各种不同刺激的累积反应。然而,几年后,这一当时被奉为圭臬的假说,被一系列的动物实验推翻了。

1948年,爱德华·托尔曼又提出了“认知地图”的概念,即空间认知过程不是单纯的刺激—反应,而是大脑某些地方可以通过编写地图告诉个体自身位置。可惜的是,这一假说一直没有得到证实。

直到1957年,世界上首个切除双侧海马脑区以治疗严重癫痫的病例被报道,患者术后失去了形成新的长时间记忆的能力,空间认知也出现了障碍,这些变化首次证实了“认知地图”可能真的存在,而且存在部位可能在海马脑区。

此后,全球神经解剖学、生理学、行为学等不同领域的科学家都把研究重心放在了海马脑区,尝试回答这一脑区参与认知过程的机制,但一直未能获得成功。直到1971年,约翰·奥基夫发现了海马脑区的“位置细胞”。

伊鸣为记者播放了一段视频。视频还原了奥基夫的实验:大鼠在一个箱子里自由活动,电极被埋置在大鼠海马脑区,大鼠在活动中,每经过一个特定区域,一个海马神经元(位置细胞)就会开始发放动作电位,与此同时,记录神经元放电的设备闪烁灯光,并发出“呲呲”的放电声音。

1978年,奥基夫等人编写了《海马是一个认知地图》一书,第一次比较完整系统地阐述了海马脑区的功能,以及空间认知行为机制。

在此基础上,莫泽夫妇于2005年在海马脑区上游的“内嗅皮层”区域发现了“网格细胞”,当小鼠运动不同距离时,特定的神经元会被激活,当内嗅皮层上百万神经元放电情况累计后,小鼠就可以对自己的运动轨迹进行判断。

“从数学模型角度来说,个体定位自身位置有两个重要因素,一是方向,二是距离,因此,当这两个关键因素的细胞机制被揭示后,空间认知过程中最核心的问题也得到了解决。”伊鸣表示,此后,莫泽夫妇又陆续发现嗅脑其他细胞能够同时判断距离和方向,以及环境的“边界”,而上述细胞与“位置细胞”构成一条完整的回路。这一回路系统构成了一个复杂的定位体系,大脑内置“GPS”的运转机制被揭示。

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