2014诺贝尔生理学或医学奖:大脑中的“定位系统”
飞鸽传书,老马识途。当还处在原始时代的时候,人类就已经意识到,很多动物都具有出类拔萃的导向能力,纵使万水千山,无论阴晴雨雪,这些神奇的动物总能知道路在何方。人类当中也不乏这样的认路高手,他们的脑海中似乎嵌入了一张高分辨率地图,怎样都不会迷失方向。作为一个出门不带GPS简直不能活的路痴,我总是非常羡慕这样的人和动物,难不成他们的大脑当中还内置了一个活体GPS?刚刚揭晓的2014年诺贝尔生理学或医学奖,恰恰向我们解答了这个问题。
如何才能不迷路呢?首先,我们必须知道自己要去的是个怎样的地方。譬如说,我要去北京故宫,我首先得知道那是一个有着红色宫墙和金色琉璃瓦的巨大宫殿。抽象一些说,我们要通过一系列特征来确定某一个位置。在我们的大脑中,正存在着这样一种专门负责记住位置特征的神经元。本届诺贝尔生理及医学奖其中一位得主,伦敦大学学院(University College London)的约翰?奥基夫(John O’Keefe),早在1971年就和同事在大鼠大脑中一个叫做海马(hippocampus)的脑区里就发现了这样一种神经元,他们将其命名为“位置细胞”(place cell)
约翰·奥基夫。他的团队在1971年发现了位置细胞。
当时,他们在大鼠的海马中植入了一个记录电极,然后将大鼠放置在一个空旷的房间中自由活动。他们发现,只有当大鼠处在特定的位置上时,特定的位置细胞才会活跃,奥基夫将那些导致特定位置细胞活跃的区域称为这些位置细胞的发放场(firing field)。大鼠通过各种感官从环境中获取外界的特征信息,而位置细胞则能够和海马中其它的细胞合作,将那些输入的特征信息与过往记录到的不同位置的特征信息加以比对。一旦信息能够匹配上,与那个位置相对应的特定位置细胞就会变得活跃。通过这种方法,我们的大脑能够将特定的特征信息与特定的空间位置联系起来,形成了空间位置记忆。

右图中浅灰色区域为大鼠的脑,深灰色代表海马,橘黄色示意位置细胞所分布的区域。左图为大鼠在空旷房间中的运动轨迹,其中橙色的点表示当记录到某一批位置细胞活跃时大鼠所在的位置,浅橙色圆斑表示理论上这些位置细胞的发放场。
在对位置细胞超过30年的研究中,奥基夫的团队对这类细胞作了更加深入的研究。他们发现,和别的记忆一样,这种空间位置记忆既可能随着时间推移而遗忘,也可以通过反复训练来加强,乃至终身保留。但是这种记忆的特殊之处在于它拥有一定的可塑性:当环境发生一定程度的变化时,这些记忆也可以根据环境改变作出一定的修正,这解释了我们为什么能在周遭环境不断变化时依然可以准确地记住那些地点。此外,奥基夫还注意到位置细胞还可以分出一些亚类,比如有一类专门对活动边界——一堵墙或是一道无法跨越的沟壑——敏感的神经元,他们将其命名为边界细胞(border cell)。
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