听诺奖得主讲讲 大脑GPS的那些事

2016年01月21日   来源：环球科学

 

他们发现的网格细胞能对空间位置产生映射，从而帮助大脑导航。神奇的是，网格细胞感应到的位置能形成近乎完美的图案——一种类似蜂巢的六边形网格。谁能想到大脑深处竟然隐藏着至简至美的六边形？莫泽夫妇的发现让我们领略到大脑中蕴藏的智慧和美，也激起了更多人对神经科学、对大脑的兴趣。

2014年诺贝尔生理学或医学奖得主爱德华·莫泽和梅-布里特·莫泽夫妇

爱德华·莫泽和妻子在2014年共同获得了诺贝尔生理学或医学奖，成为历史上第5对获得诺贝尔奖的夫妇。他们发现的网格细胞能对空间位置产生映射，从而帮助大脑导航。

特隆赫姆城，挪威科技大学的所在地。每年12月，这里的冬夜是全年最漫长的，每天有20小时以上都处于黑夜之中。可能是大自然对北极地区见不到阳光的补偿，在漫长寒夜常会有美丽的北极光照亮天空，这也是挪威科技大学的爱德华·莫泽教授最喜欢的自然景观之一。

在2016年即将到来的时候，笔者拨通了莫泽的电话，隔着7000多千米的距离，对这位2014年的诺奖得主进行了专访，听他讲诉关于大脑GPS的更多细节。

你和梅-布里特（May-Britt Moser）当初为何会研究大脑中的GPS？

莫泽：其实我对整个大脑都很着迷。不过，与认知、想象、规划能力相比，研究导航系统要容易入门一些，研究起来也十分方便。老鼠大脑的导航系统与人非常相似，它们是识路高手，也是非常好操作的实验对象。当时，我们已经得知位置细胞存在，这是个额外的优势，毕竟比从零开始方便得多，我们可以从位置细胞的信号来源、位置细胞是如何产生的等简单问题入手。另外，当时的科学家对海马体的了解已经非常深入，而我们的导师正是在这一领域有极高声望的约翰·奥基夫教授（John O’Keefe，与莫泽夫妇分享了2014年的诺贝尔生理学或医学奖）。就这样，我们自然而然地开始了大脑GPS的研究。

通过你们的研究，我们知道，大鼠经过一个六边形的任意一个顶点时，相应的网格细胞就会被激活。是怎么想到这一点的？是偶然发现吗？

莫泽：不能说是偶然，我们在大鼠处于较狭窄的环境时就已经观察到了一种规律。标准的实验环境是约1平方米的正方形。在这样的环境中，我们发现每当网格细胞被激活时，大鼠经过的位点之间的距离是恒定的，但那时还不能准确描述这是一个怎样的图案。

2004年，也就是发现网格细胞的前一年，我们就已经清楚地阐述过这种现象：这些位点之间的距离不是随机的。很明显，为了观测到更清晰的图形规律，我们必须扩大实验环境。而我们当时已经有这样的实验条件，就给大鼠换了个大环境，然后，我们便发现了网格细胞。

继网格细胞之后，2015年你们又发现了另一种导航细胞——速度细胞，有科学家评价“这是大脑地图领域最后一块重要拼图”，对此你怎么看？

莫泽：我不认为速度细胞是大脑导航系统的最后一块拼图。也许这么说更合适：在此之后发现的其他细胞，可能不会像速度细胞一样专职负责某一功能，就像我们发现许多网格细胞和边界细胞还兼有头部方向细胞或是速度细胞的功能。

目前发现的与导航有关的细胞总数，大概占到了内嗅皮层细胞的50%以上，也许是60%或70%的样子。而且，也许那些已发现和未发现的细胞还有其他我们不知道的功能。更重要的是，我们目前只是发现了不同的细胞种类，却依然不清楚它们之间是如何互动的。

单独看这几类细胞，相当于在介绍一个航空公司时，只介绍了不同的员工，比如飞行员、空乘人员以及地勤人员。能否讲讲这些细胞是怎么协作完成任务的？

莫泽：这个确实有点难以回答，因为我们对这些细胞的了解其实并不比对航空公司员工的了解更多。

网格细胞对环境进行度量，从而提供距离和方向的信息。边界细胞则知道环境中的墙或其他各种边界的位置，很可能对网格细胞起着像“锚”一样的作用。也就是说，网格细胞很可能利用边界细胞的信息来校准方向。

我们在2015年发表于《自然》的一篇论文中，介绍了网格细胞在环境中独特的方向定位。通常来说，如果我们沿着六边形的顶点画轴线，其中一条轴线总是会与墙壁呈现出7.5°左右的夹角。这非常奇怪，在绝大多数情况下，这条轴线总是与墙壁有这么一点点夹角，而不是与墙壁平行。不过，细想一下，也并不奇怪，因为在一个正方形平面中，当夹角为0°时，六边形会沿着正方形的中轴对称，当夹角达到15°时，六边形就会沿着正方形的对角线对称。而夹角为7.5°时，六边形在正方形平面中是最不对称的。我们认为是边界细胞导致了这种不对称性，因为边界细胞“搭载”着环境中墙壁位置的信息。

对于头部方向细胞，我们只知道它们和网格细胞在同一个神经回路，可能向网格细胞实时提供有关方向的信息，而速度细胞则可能为网格细胞实时更新移动速度的信息。所以，当我走出0.5米时，与此距离匹配的网格细胞会被激活，每走一步都是如此。这些还只是我们眼下的粗略推测，要搞清大脑导航系统的整体机制，仍有大量工作要做。

目前你们团队发布的研究结果主要源自大鼠，那在其它哺乳动物中，导航系统有哪些不同？

莫泽：目前我们在大鼠、小鼠、蝙蝠、猴子和人类大脑中都发现了网格细胞。这几个物种在系统发生树上的位置隔得非常远。从进化学上来说，小鼠和大鼠比较接近，而蝙蝠则完全属于另一个分支，它们不是会飞的老鼠。但是，当蝙蝠在平面爬行时，大脑中激活的网格细胞和老鼠非常相似。猴子的情况则不太一样。猴子的网格细胞不仅会随运动被激活，还会随眼睛看的地方不同而被激活，即使它们没有移动位置。但总的来说，网格细胞在这些不同种类的动物中还是非常相似的，所以我相信导航系统可能在哺乳类动物进化的早期就已经出现。

当然，人类不仅拥有语言，还有想象力，可以对尚未发生的事情做出预测，规划想去的地方并设计路线，情况与其它动物完全不同。不过我仍然认为，哺乳动物中导航系统的根基是相同的，即都是依靠网格细胞、头部方向细胞、边界细胞、速度细胞等进行工作，而随着一些更高级的大脑结构出现，导航系统也会与它们协同工作。

这些细胞真的很神奇，你觉得这方面的研究未来会有什么应用？能否用于治疗阿尔茨海默病或自动导航机器人？

莫泽：有很多潜在应用。首先说与人类大脑有关的。网格细胞位于人脑的内嗅皮层中，而阿尔茨海默病最先影响的就是这个脑区。在病人出现任何可识别的症状之前，这一脑区就已经开始缩小。如果我们对网格细胞及导航系统有更深的理解，就能对阿尔茨海默病进行早期干预。对此，我充满希望。实际上，就在大概一个月前，《科学》刊登了德国科学家的一项研究，他们已经直接检测到，携带阿尔茨海默病致病基因的自愿者大脑中，网格细胞的活跃度比正常人低。

至于人工智能，我认为用网格细胞甚至整个大脑导航系统来“武装”人工智能设备，确实可以让它们更好地在复杂的环境中自主运动。但人类非常擅长处理突发事件，举个例子，当你走在机场时，你会下意识地躲避周围的行人，并规划出一条复杂的线路，这一点人工智能设备可能很难学会。不过，人工智能发展很快，也可能会超出想象，说不定未来，仿生大脑不仅能像人脑一样精妙，还能同时多线程工作。

你对“我们的大脑无法理解大脑自身的运作机制”（Brain cannot understand brain）这句话怎么看？你认为人类最终可以破解大脑的运作之谜吗？

莫泽：我认为对大脑的理解会越来越深入，至于能否达到破解的程度，则不敢断言。人类的大脑太过复杂，但我们可以越来越了解它，这是一个量变的过程。虽然大脑长在我们身上，但神经科学家只能通过大脑对外部刺激的反应来理解它，而对于外部世界，我们又需要通过大脑来感受，也就是说，我们对于外部世界的理解是受限于大脑本身的。所以，科学是不断积累的过程，我们能做的就是越来越深入地了解世界，在这一点上，不论神经科学家还是其他领域的科学家都是如此。（廖红艳 马宏 稿件来源：环球科学） 

 

听诺奖得主讲讲 大脑GPS的那些事

2016年01月21日   来源：环球科学

 

他们发现的网格细胞能对空间位置产生映射，从而帮助大脑导航。神奇的是，网格细胞感应到的位置能形成近乎完美的图案——一种类似蜂巢的六边形网格。谁能想到大脑深处竟然隐藏着至简至美的六边形？莫泽夫妇的发现让我们领略到大脑中蕴藏的智慧和美，也激起了更多人对神经科学、对大脑的兴趣。

2014年诺贝尔生理学或医学奖得主爱德华·莫泽和梅-布里特·莫泽夫妇

爱德华·莫泽和妻子在2014年共同获得了诺贝尔生理学或医学奖，成为历史上第5对获得诺贝尔奖的夫妇。他们发现的网格细胞能对空间位置产生映射，从而帮助大脑导航。

特隆赫姆城，挪威科技大学的所在地。每年12月，这里的冬夜是全年最漫长的，每天有20小时以上都处于黑夜之中。可能是大自然对北极地区见不到阳光的补偿，在漫长寒夜常会有美丽的北极光照亮天空，这也是挪威科技大学的爱德华·莫泽教授最喜欢的自然景观之一。

在2016年即将到来的时候，笔者拨通了莫泽的电话，隔着7000多千米的距离，对这位2014年的诺奖得主进行了专访，听他讲诉关于大脑GPS的更多细节。

你和梅-布里特（May-Britt Moser）当初为何会研究大脑中的GPS？

莫泽：其实我对整个大脑都很着迷。不过，与认知、想象、规划能力相比，研究导航系统要容易入门一些，研究起来也十分方便。老鼠大脑的导航系统与人非常相似，它们是识路高手，也是非常好操作的实验对象。当时，我们已经得知位置细胞存在，这是个额外的优势，毕竟比从零开始方便得多，我们可以从位置细胞的信号来源、位置细胞是如何产生的等简单问题入手。另外，当时的科学家对海马体的了解已经非常深入，而我们的导师正是在这一领域有极高声望的约翰·奥基夫教授（John O’Keefe，与莫泽夫妇分享了2014年的诺贝尔生理学或医学奖）。就这样，我们自然而然地开始了大脑GPS的研究。

通过你们的研究，我们知道，大鼠经过一个六边形的任意一个顶点时，相应的网格细胞就会被激活。是怎么想到这一点的？是偶然发现吗？

莫泽：不能说是偶然，我们在大鼠处于较狭窄的环境时就已经观察到了一种规律。标准的实验环境是约1平方米的正方形。在这样的环境中，我们发现每当网格细胞被激活时，大鼠经过的位点之间的距离是恒定的，但那时还不能准确描述这是一个怎样的图案。

2004年，也就是发现网格细胞的前一年，我们就已经清楚地阐述过这种现象：这些位点之间的距离不是随机的。很明显，为了观测到更清晰的图形规律，我们必须扩大实验环境。而我们当时已经有这样的实验条件，就给大鼠换了个大环境，然后，我们便发现了网格细胞。

继网格细胞之后，2015年你们又发现了另一种导航细胞——速度细胞，有科学家评价“这是大脑地图领域最后一块重要拼图”，对此你怎么看？

莫泽：我不认为速度细胞是大脑导航系统的最后一块拼图。也许这么说更合适：在此之后发现的其他细胞，可能不会像速度细胞一样专职负责某一功能，就像我们发现许多网格细胞和边界细胞还兼有头部方向细胞或是速度细胞的功能。

目前发现的与导航有关的细胞总数，大概占到了内嗅皮层细胞的50%以上，也许是60%或70%的样子。而且，也许那些已发现和未发现的细胞还有其他我们不知道的功能。更重要的是，我们目前只是发现了不同的细胞种类，却依然不清楚它们之间是如何互动的。

单独看这几类细胞，相当于在介绍一个航空公司时，只介绍了不同的员工，比如飞行员、空乘人员以及地勤人员。能否讲讲这些细胞是怎么协作完成任务的？

莫泽：这个确实有点难以回答，因为我们对这些细胞的了解其实并不比对航空公司员工的了解更多。

网格细胞对环境进行度量，从而提供距离和方向的信息。边界细胞则知道环境中的墙或其他各种边界的位置，很可能对网格细胞起着像“锚”一样的作用。也就是说，网格细胞很可能利用边界细胞的信息来校准方向。

我们在2015年发表于《自然》的一篇论文中，介绍了网格细胞在环境中独特的方向定位。通常来说，如果我们沿着六边形的顶点画轴线，其中一条轴线总是会与墙壁呈现出7.5°左右的夹角。这非常奇怪，在绝大多数情况下，这条轴线总是与墙壁有这么一点点夹角，而不是与墙壁平行。不过，细想一下，也并不奇怪，因为在一个正方形平面中，当夹角为0°时，六边形会沿着正方形的中轴对称，当夹角达到15°时，六边形就会沿着正方形的对角线对称。而夹角为7.5°时，六边形在正方形平面中是最不对称的。我们认为是边界细胞导致了这种不对称性，因为边界细胞“搭载”着环境中墙壁位置的信息。

对于头部方向细胞，我们只知道它们和网格细胞在同一个神经回路，可能向网格细胞实时提供有关方向的信息，而速度细胞则可能为网格细胞实时更新移动速度的信息。所以，当我走出0.5米时，与此距离匹配的网格细胞会被激活，每走一步都是如此。这些还只是我们眼下的粗略推测，要搞清大脑导航系统的整体机制，仍有大量工作要做。

目前你们团队发布的研究结果主要源自大鼠，那在其它哺乳动物中，导航系统有哪些不同？

莫泽：目前我们在大鼠、小鼠、蝙蝠、猴子和人类大脑中都发现了网格细胞。这几个物种在系统发生树上的位置隔得非常远。从进化学上来说，小鼠和大鼠比较接近，而蝙蝠则完全属于另一个分支，它们不是会飞的老鼠。但是，当蝙蝠在平面爬行时，大脑中激活的网格细胞和老鼠非常相似。猴子的情况则不太一样。猴子的网格细胞不仅会随运动被激活，还会随眼睛看的地方不同而被激活，即使它们没有移动位置。但总的来说，网格细胞在这些不同种类的动物中还是非常相似的，所以我相信导航系统可能在哺乳类动物进化的早期就已经出现。

当然，人类不仅拥有语言，还有想象力，可以对尚未发生的事情做出预测，规划想去的地方并设计路线，情况与其它动物完全不同。不过我仍然认为，哺乳动物中导航系统的根基是相同的，即都是依靠网格细胞、头部方向细胞、边界细胞、速度细胞等进行工作，而随着一些更高级的大脑结构出现，导航系统也会与它们协同工作。

这些细胞真的很神奇，你觉得这方面的研究未来会有什么应用？能否用于治疗阿尔茨海默病或自动导航机器人？

莫泽：有很多潜在应用。首先说与人类大脑有关的。网格细胞位于人脑的内嗅皮层中，而阿尔茨海默病最先影响的就是这个脑区。在病人出现任何可识别的症状之前，这一脑区就已经开始缩小。如果我们对网格细胞及导航系统有更深的理解，就能对阿尔茨海默病进行早期干预。对此，我充满希望。实际上，就在大概一个月前，《科学》刊登了德国科学家的一项研究，他们已经直接检测到，携带阿尔茨海默病致病基因的自愿者大脑中，网格细胞的活跃度比正常人低。

至于人工智能，我认为用网格细胞甚至整个大脑导航系统来“武装”人工智能设备，确实可以让它们更好地在复杂的环境中自主运动。但人类非常擅长处理突发事件，举个例子，当你走在机场时，你会下意识地躲避周围的行人，并规划出一条复杂的线路，这一点人工智能设备可能很难学会。不过，人工智能发展很快，也可能会超出想象，说不定未来，仿生大脑不仅能像人脑一样精妙，还能同时多线程工作。

你对“我们的大脑无法理解大脑自身的运作机制”（Brain cannot understand brain）这句话怎么看？你认为人类最终可以破解大脑的运作之谜吗？

莫泽：我认为对大脑的理解会越来越深入，至于能否达到破解的程度，则不敢断言。人类的大脑太过复杂，但我们可以越来越了解它，这是一个量变的过程。虽然大脑长在我们身上，但神经科学家只能通过大脑对外部刺激的反应来理解它，而对于外部世界，我们又需要通过大脑来感受，也就是说，我们对于外部世界的理解是受限于大脑本身的。所以，科学是不断积累的过程，我们能做的就是越来越深入地了解世界，在这一点上，不论神经科学家还是其他领域的科学家都是如此。（廖红艳 马宏 稿件来源：环球科学）