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上海信帆生物:定位、導(dǎo)航,大腦是這樣做到的

更新時間:2014-11-11      瀏覽次數(shù):1537

大腦是人體zui重要的也是zui神秘的器官,感知位置和導(dǎo)航的能力是大腦zui基本的功能之一,可大腦究竟是如何做到這一點的,長期以來一直是科學(xué)家試圖搞清楚的問題。2014年諾貝爾獎生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎頒給了三位在這方面有重要突破的科學(xué)家,約翰·奧基夫、梅-布里特·莫澤和愛德華·莫澤。

2014年諾貝爾獎生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎頒給了三位在這方面有重要突破的科學(xué)家,他們是英國倫敦大學(xué)學(xué)院的約翰·奧基夫(johno'keefe,1939-)、挪威的梅-布里特·莫澤(may-brittmoser,1963-)和愛德華·莫澤(edvardmoser,1962-)。他們的工作揭示了大腦在定位和導(dǎo)航方面的重大秘密,著神經(jīng)生理學(xué)界發(fā)現(xiàn)了大腦中自帶的定位導(dǎo)航系統(tǒng)。

大腦是人體zui重要的也是zui神秘的器官,感知位置和導(dǎo)航的能力是大腦zui基本的功能之一,可大腦究竟是如何做到這一點的,長期以來一直是科學(xué)家試圖搞清楚的問題。2014年諾貝爾獎生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎頒給了三位在這方面有重要突破的科學(xué)家,他們是英國倫敦大學(xué)學(xué)院的約翰·奧基夫(johno'keefe,1939-)、挪威的梅-布里特·莫澤(may-brittmoser,1963-)和愛德華·莫澤(edvardmoser,1962-)。他們的工作揭示了大腦在定位和導(dǎo)航方面的重大秘密,著神經(jīng)生理學(xué)界發(fā)現(xiàn)了大腦中自帶的定位導(dǎo)航系統(tǒng)。

這世上有些事情看似很簡單,細想一下卻可能很是深奧,比如我們回家,我們的大腦究竟是如何做到讓我們順利地回家的?因為要想走回家,有許多需要處理的事項:需要知道此刻自身所在的位置,需要知道家在哪里,需要確定往哪兒走,何時拐彎,何時停下……在這個過程中,大腦是如何感知身處何地的?大腦是如何選定從一個地點到另一個地點路線的?大腦又是如何將這些信息儲存起來以便用于下次引路的?給人們留下了許多謎團,一旦破了這些謎團,也就弄清了大腦定位和導(dǎo)航的機制了。

解*個謎團的人是奧基夫,他發(fā)現(xiàn)大腦中有一種“位置細胞”能夠在經(jīng)過某些地方時指出所在位置。那是1970年,奧基夫和他的團隊在做一個實驗。他們把電極記錄器安置在小鼠大腦的海馬體區(qū)域,然后讓小鼠在一個陌生的環(huán)境里自由行動。結(jié)果發(fā)現(xiàn)小鼠的海馬體區(qū)域有一種特殊的神經(jīng)細胞會對它所在的位置產(chǎn)生選擇性興奮,比如當小鼠靠近一個輪子,或是到達門前的位置時才會被激活。這種特殊的神經(jīng)細胞就是“位置細胞”,它以選擇性激活的方式賦予那些特定的位置以特殊的標識,讓大腦能夠記住身體曾經(jīng)到過的那些地方,于是在小鼠的腦中形成了一幅關(guān)于周邊環(huán)境的“地圖”。

“位置細胞”的發(fā)現(xiàn)提示了一個充滿希望的研究方向,科學(xué)家們?nèi)ふ移渌愋偷呐c導(dǎo)航相關(guān)的神經(jīng)細胞。幾年之后果然發(fā)現(xiàn)了“頭部方向細胞”,這是一種能夠識別頭部朝向的神經(jīng)細胞,它通過選擇性興奮來標識方向。比如:當頭部朝向東方的時候,一組細胞會興奮;而頭部轉(zhuǎn)向西方時,則是另一組細胞興奮。“頭部方向細胞”就以這樣的方式為身體指示前進的方向。

而對于導(dǎo)航能力極為關(guān)鍵的“網(wǎng)格細胞”,其發(fā)現(xiàn)就要歸功于至今已經(jīng)相濡以沫28年的莫澤夫婦了。2005年,莫澤夫婦在實驗時發(fā)現(xiàn),在小鼠通過某一些特定位置點的時候與海馬體相鄰的內(nèi)嗅皮層區(qū)域的神經(jīng)細胞也會發(fā)生激活,而且這些位置點構(gòu)成了一個呈六邊形的網(wǎng)格形狀,很像中國跳棋的棋盤。可是小鼠活動的地方并沒有六邊形存在,因此這一形狀只是小鼠大腦的產(chǎn)物。它疊加在環(huán)境背景之上,只要小鼠經(jīng)過這一六邊形上的某一點時,其對應(yīng)的神經(jīng)細胞就會被激活。這些被激活的細胞就是網(wǎng)格細胞,它們建立起一種空間表象,起到了建立坐標系的作用,記錄下所有在移動中產(chǎn)生的位置信息,記錄下身體行進通過的路徑。這樣一來,盡管小鼠在陌生的環(huán)境中來回穿行,隨意走動,但網(wǎng)格細胞可以隨時調(diào)取提供所記錄的信息,確保它不會找不到回家的路。

奧基夫發(fā)現(xiàn)的“位置細胞”與莫澤夫婦發(fā)現(xiàn)的“網(wǎng)格細胞”一起構(gòu)成了小鼠大腦中的定位導(dǎo)航系統(tǒng),這種系統(tǒng)就像大腦內(nèi)置的“gps”能夠完成復(fù)雜的定位和導(dǎo)航任務(wù)。后來,科學(xué)家們已經(jīng)在包括人類在內(nèi)的很多哺乳動物身上發(fā)現(xiàn)了同樣的由“位置細胞”和“網(wǎng)格細胞”構(gòu)成的定位導(dǎo)航系統(tǒng),也就是說,我們能夠順利找到回家的路同樣需要依賴我們大腦中的這套系統(tǒng)。只有借助于這個定位導(dǎo)航系統(tǒng),我們才能夠正確地了解自己所處的環(huán)境,才能夠恰當處理自己與周圍物體的關(guān)系,才能夠在復(fù)雜的環(huán)境中識別、記憶并辨別方向,才能夠具有良好的空間能力。

另外,在研究大腦的定位、導(dǎo)航機制的同時,也揭示了大腦認知過程中的其他一些奧秘。就在研究“網(wǎng)格細胞”的時候,莫澤夫婦發(fā)現(xiàn)這些“網(wǎng)格細胞”形式豐富,形成的圖形有著大小的差異,有著方位的不同。盡管如此,它們卻具有復(fù)雜而穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)模式:產(chǎn)生大小與方位相同圖形的細胞聚集在一起構(gòu)成了一個獨立單元,各個單元沿著內(nèi)嗅皮層上下方向分布,較大的位于下部,相鄰單元產(chǎn)生圖形的大小相差1.4倍,遵循著一個嚴格的數(shù)學(xué)公式。這些結(jié)構(gòu)的存在似乎在提醒人們注意大腦細胞是作為一個整體來執(zhí)行認知功能的,對于記憶與位置環(huán)境之間的關(guān)系需要進行更為深入的研究,從而開辟了人類研究記憶、思考等認知過程的新途徑。

我們的大腦有著太多的未知,因此人們對于這一領(lǐng)域的后續(xù)研究及其應(yīng)用充滿期待。比如,由于“網(wǎng)格細胞”所在的內(nèi)嗅皮層也正是阿爾茨海默綜合征患者zui先發(fā)生損害的部位之一,而病的zui初的癥狀也正是記憶喪失與無法辨識外界環(huán)境。所以人們希望通過對“網(wǎng)格細胞”深入研究,理解人類大腦空間記憶的中樞機制,找出記憶的喪失現(xiàn)象的原因,找到預(yù)防和治療阿爾茨海默綜合征這類腦部疾病的辦法。我們相信在不遠的將來,科學(xué)家們對于大腦的研究成果就會直接造福于人類社會。

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