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大脑研究的又一突破
人类的大脑是怎样在纵横交错的复杂空间中辨识物体的位置、寻找行走的方向的？这有赖于我们大脑里的“GPS导航系统”。正是这样一个系统的存在，我们才能知道自己与周围物体的位置关系，才能在环境中识别、记忆并辨别方向。如果没有大脑中的这套定位系统，我们肯定无法在三维世界中活动与生存，这是大脑的基本能力之一。
虽然人类的科学水平已经得到了长足的进步，但大脑仍是人类最难攻克的一个领域，人类对于大脑功能的认识和探索依然处于初级阶段，因此这个领域的每一次突破都令人欢欣鼓舞。而发现大脑里的“定位和导航系统”是近几十年来人类在大脑领域的重大突破之一，其发现者英国伦敦大学学院神经科学家约翰·奥基夫及挪威科技大学教授莫泽夫妇，也就顺理成章获得了2014年度的诺贝尔生理学或医学奖。
所谓“定位和导航系统”，实际上是两种与大脑识别和记忆空间位置有关的神经细胞（可统称为“导航细胞”），这类神经细胞让我们知道自己身在何处，如何去到想要去的地方，就像是内置的GPS一样。
约翰·奥基夫和“位置细胞”
该“内置GPS”的第一个组件——位置细胞——是由约翰·奥基夫发现的。
奥基夫是一个可爱的小老头，1939年生于美国纽约，在那里一直待到了大学毕业。随后，他去了加拿大麦吉尔大学深造，获得生理心理学博士学位，并且学会了让他受益一生的手艺，即记录动物单个神经元的电活动的技术。毕业后，他就远渡重洋，去了英国的伦敦大学。在这所历史悠久的大学里，他发现并命名了海马体中的“位置细胞”。正是这一发现，让他获得了今年的诺贝尔生理学或医学奖。
这还是上个世纪70年代的事了，当时风华正茂的奥基夫正痴迷于弄清楚大脑是如何控制行为和决策，并试着用在麦吉尔大学学到的神经生物学手段来解决这个问题。他和工作人员在大鼠的大脑里植入了电极记录器，然后让这些大鼠在房间里自由嬉戏，并记录下它们的运动轨迹和大脑海马回内单个神经细胞发射出的电信号。结果发现，每当大鼠经过某个特定位置的时候，某些特定的神经细胞就会被激活。奥基夫将这类细胞称为“位置细胞”。也就是说，大鼠海马回中处于活跃状态的位置细胞与它们在房间里的位置呈一一对应关系。其实这很好理解，就是这些位置细胞接收了目光所及的视觉信号，并把它们都记录下来，就像是把房间的样子画到脑海里。所以位置细胞也常被喻为人体内置的“地图”。
这个过程的实质就是空间位置记忆，有点像我们比着花样绣花：“花样”似于空间环境，“绣”就是信号接收和处理的过程，“空白的布”则像是海马回里位置细胞所在的区域，而落下的每一针就激活一个位置细胞。于是，飞针走线之间，花鸟鱼虫、亭台楼阁在纤纤素手中重现，而我们所处的空间也似这般在我们脑中重现。
比绣花灵活的是，当旧环境改变时，位置细胞以及它们之间的联系也可以随之而变，这样脑子里的地图就可以不断更新，以应万变。
奥基夫和他的团队还发现了一些特殊的位置细胞，比如对边界敏感的“边界细胞”。
莫泽夫妇和“网格细胞”
“位置细胞”之石虽小，却也激起了神经科学界的千层浪，奥基夫他们知道除位置细胞外，大脑中必定还存在其他功能的“导航细胞”，比如还应该存在感知方向和计算距离的细胞，其他科学家们当然也明白这个道理。于是乎，一时间该领域成为研究热点，研究对象也加入了家鸽、松鼠猴，甚至人类。但他们似乎都只是围着位置细胞打转，只是证实了多种动物中都位置细胞的存在，对位置细胞有了一些更深入的认识而已，并没有发现新的“导航细胞”。一直到30多年后，才由布里特·莫泽和爱德华·莫泽夫妇发现了大脑定位系统的另一个关键成分——“网格细胞”。
莫泽夫妇相识于挪威奥斯陆大学，在那里获得博士学位，随后以访问学者的身份进入奥基夫的实验室。这样说来奥基夫算是莫泽夫妇的半个导师。
莫泽夫妇能发现网格细胞也算机缘巧合，在他们之前，类似的实验一直都是将大鼠放在相对狭小的房间内进行的，位置细胞的兴奋掩盖了网格细胞的兴奋。而莫泽夫妇后来把大鼠放到了一个比常规实验房间大一倍的实验室内，便成功地观察到了位于大脑内嗅皮层的网格细胞。
他们发现，当大鼠在房间里自由活动时，网格细胞的放电模式非常特殊，即网格细胞几乎只在网格节点处放电，而网格节点在空间上均匀分布。
要弄懂这句话还得先说说什么是网格节点。
下图第二部分便是网格细胞的放电示意图，黑色的线条是大鼠的运动轨迹，红色的点就是网格细胞放电的位置。从图中我们可以看到，在某些位置网格细胞会多次放电，而其他区域则几乎不会有网格细胞放电，这些网格细胞集中放电的区域便被称为网格节点。网格节点间的距离是相等的，节点之间形成的角度为60°，连接各网格节点，即将空间分割为一个个等边三角形，这也是网格细胞名字的由来。
由此可见，网格细胞记录的并非空间位置的细节，它更像是在空间中设定一系列标记点，将空间分割成等边三角形网格。人们推测，它的功能类似于地图上的经纬线，相当于在脑海里给外部空间建立了一个参考系。有了这个参考系之后，空间中任意一点都可以被标定，这有助于定位以及对不同位置间距离的计算。
大脑里“定位和导航系统”是可以通过学习来强化的。一项调查显示，穿梭于迷宫般的伦敦街道的出租车司机拥有更为发达的海马回，该结果暗示，只要勤加练习，大脑中GPS的性能就可能变得更加卓越。此外，如阿兹海默病等许多疾病的患者常常会出现迷路等症状，有研究者认为这些与“导航细胞”的退化有关，所以对“导航细胞”的研究可以帮助医生和科学家加深对这些疾病的认识，从而更好地诊断和治疗这些疾病。
人类的大脑是怎样在纵横交错的复杂空间中辨识物体的位置、寻找行走的方向的？这有赖于我们大脑里的“GPS导航系统”。正是这样一个系统的存在，我们才能知道自己与周围物体的位置关系，才能在环境中识别、记忆并辨别方向。如果没有大脑中的这套定位系统，我们肯定无法在三维世界中活动与生存，这是大脑的基本能力之一。
虽然人类的科学水平已经得到了长足的进步，但大脑仍是人类最难攻克的一个领域，人类对于大脑功能的认识和探索依然处于初级阶段，因此这个领域的每一次突破都令人欢欣鼓舞。而发现大脑里的“定位和导航系统”是近几十年来人类在大脑领域的重大突破之一，其发现者英国伦敦大学学院神经科学家约翰·奥基夫及挪威科技大学教授莫泽夫妇，也就顺理成章获得了2014年度的诺贝尔生理学或医学奖。
所谓“定位和导航系统”，实际上是两种与大脑识别和记忆空间位置有关的神经细胞（可统称为“导航细胞”），这类神经细胞让我们知道自己身在何处，如何去到想要去的地方，就像是内置的GPS一样。
约翰·奥基夫和“位置细胞”
该“内置GPS”的第一个组件——位置细胞——是由约翰·奥基夫发现的。
奥基夫是一个可爱的小老头，1939年生于美国纽约，在那里一直待到了大学毕业。随后，他去了加拿大麦吉尔大学深造，获得生理心理学博士学位，并且学会了让他受益一生的手艺，即记录动物单个神经元的电活动的技术。毕业后，他就远渡重洋，去了英国的伦敦大学。在这所历史悠久的大学里，他发现并命名了海马体中的“位置细胞”。正是这一发现，让他获得了今年的诺贝尔生理学或医学奖。
这还是上个世纪70年代的事了，当时风华正茂的奥基夫正痴迷于弄清楚大脑是如何控制行为和决策，并试着用在麦吉尔大学学到的神经生物学手段来解决这个问题。他和工作人员在大鼠的大脑里植入了电极记录器，然后让这些大鼠在房间里自由嬉戏，并记录下它们的运动轨迹和大脑海马回内单个神经细胞发射出的电信号。结果发现，每当大鼠经过某个特定位置的时候，某些特定的神经细胞就会被激活。奥基夫将这类细胞称为“位置细胞”。也就是说，大鼠海马回中处于活跃状态的位置细胞与它们在房间里的位置呈一一对应关系。其实这很好理解，就是这些位置细胞接收了目光所及的视觉信号，并把它们都记录下来，就像是把房间的样子画到脑海里。所以位置细胞也常被喻为人体内置的“地图”。
这个过程的实质就是空间位置记忆，有点像我们比着花样绣花：“花样”似于空间环境，“绣”就是信号接收和处理的过程，“空白的布”则像是海马回里位置细胞所在的区域，而落下的每一针就激活一个位置细胞。于是，飞针走线之间，花鸟鱼虫、亭台楼阁在纤纤素手中重现，而我们所处的空间也似这般在我们脑中重现。
比绣花灵活的是，当旧环境改变时，位置细胞以及它们之间的联系也可以随之而变，这样脑子里的地图就可以不断更新，以应万变。
奥基夫和他的团队还发现了一些特殊的位置细胞，比如对边界敏感的“边界细胞”。
莫泽夫妇和“网格细胞”
“位置细胞”之石虽小，却也激起了神经科学界的千层浪，奥基夫他们知道除位置细胞外，大脑中必定还存在其他功能的“导航细胞”，比如还应该存在感知方向和计算距离的细胞，其他科学家们当然也明白这个道理。于是乎，一时间该领域成为研究热点，研究对象也加入了家鸽、松鼠猴，甚至人类。但他们似乎都只是围着位置细胞打转，只是证实了多种动物中都位置细胞的存在，对位置细胞有了一些更深入的认识而已，并没有发现新的“导航细胞”。一直到30多年后，才由布里特·莫泽和爱德华·莫泽夫妇发现了大脑定位系统的另一个关键成分——“网格细胞”。
莫泽夫妇相识于挪威奥斯陆大学，在那里获得博士学位，随后以访问学者的身份进入奥基夫的实验室。这样说来奥基夫算是莫泽夫妇的半个导师。
莫泽夫妇能发现网格细胞也算机缘巧合，在他们之前，类似的实验一直都是将大鼠放在相对狭小的房间内进行的，位置细胞的兴奋掩盖了网格细胞的兴奋。而莫泽夫妇后来把大鼠放到了一个比常规实验房间大一倍的实验室内，便成功地观察到了位于大脑内嗅皮层的网格细胞。
他们发现，当大鼠在房间里自由活动时，网格细胞的放电模式非常特殊，即网格细胞几乎只在网格节点处放电，而网格节点在空间上均匀分布。
要弄懂这句话还得先说说什么是网格节点。
下图第二部分便是网格细胞的放电示意图，黑色的线条是大鼠的运动轨迹，红色的点就是网格细胞放电的位置。从图中我们可以看到，在某些位置网格细胞会多次放电，而其他区域则几乎不会有网格细胞放电，这些网格细胞集中放电的区域便被称为网格节点。网格节点间的距离是相等的，节点之间形成的角度为60°，连接各网格节点，即将空间分割为一个个等边三角形，这也是网格细胞名字的由来。
由此可见，网格细胞记录的并非空间位置的细节，它更像是在空间中设定一系列标记点，将空间分割成等边三角形网格。人们推测，它的功能类似于地图上的经纬线，相当于在脑海里给外部空间建立了一个参考系。有了这个参考系之后，空间中任意一点都可以被标定，这有助于定位以及对不同位置间距离的计算。
大脑里“定位和导航系统”是可以通过学习来强化的。一项调查显示，穿梭于迷宫般的伦敦街道的出租车司机拥有更为发达的海马回，该结果暗示，只要勤加练习，大脑中GPS的性能就可能变得更加卓越。此外，如阿兹海默病等许多疾病的患者常常会出现迷路等症状，有研究者认为这些与“导航细胞”的退化有关，所以对“导航细胞”的研究可以帮助医生和科学家加深对这些疾病的认识，从而更好地诊断和治疗这些疾病。