身在何处——2014年诺贝尔生理学或医学奖介绍

汪云九

研究员，中国科学院生物物理研究所脑与认知科学国家重点实验室，北京100101

身在何处
——2014年诺贝尔生理学或医学奖介绍

汪云九

研究员，中国科学院生物物理研究所脑与认知科学国家重点实验室，北京100101

位置细胞；栅格细胞；动物返巢行为

首先简要介绍2014年诺贝尔生理学或医学奖三位获奖者(John M. O’Keefe，Edvard I. Moser 和 May-Britt Moser)的学术生涯。然后详细介绍他们获奖的主要成就：O’keefe教授在20世纪70年代发现鼠海马上神经细胞对动物所处的位置敏感，因此命名为位置细胞；而后Moser夫妇在鼠脑的内嗅皮质中发现栅格细胞，它的感受野呈现有规律的三角形网格覆盖整个环境，从而认为这些细胞组织成动物导航系统的神经机制具有可能性。最后指出，由于脑科学研究的复杂性，这些研究工作仅是动物导航行为探究中的重大突破，离开彻底解决这个问题尚有距离。

春暖花开，成千上万只蜜蜂飞离窠巢到数百米外去采集花粉，然后带着滿载的花粉正确无误地返回蜂窠；秋风萧瑟，燕子到南方去度过寒冬，到来年春天又飞越数千公里可能仍旧回到原先的房东家，修补鸟巢生儿育女；信鸽能飞越数千公里传送信息，然后回到原地；……。自古以来人们惊叹于这些动物的神奇能力，科学家也一直努力探索其中的奥秘。

1 获奖者简历

今年诺贝尔生理学或医学奖的工作，为揭示动物的返巢奥秘作出了突破性贡献！这个奖项授予三位科学家：John M. O’Keefe，Edvard I.Moser 和 May-Britt Moser(图1)。其中O’Keefe是英美双藉科学家，现在伦敦大学学院(University College of London)工作，他是一位谦和的长者，1939年生辰，曾指导过后两位得奖者的博士后工作。O’Keefe先在纽约城市大学获学士学位，而后到加拿大麦吉尔大学(McGill University)在Ronald Melzack(1929—) 指导下攻读生理心理学博士学位。该大学之心理学系主任是Donald O.Hebb，而Hebb是大名鼎鼎的神经系统学习律的提出者，该学习律后来成为神经网络计算机学习算法的理论基础。O’Keefe获博士学位后，又到英国伦敦大学学院读博士后，并于1983年留校担任认知神经科学教授，现任伦敦大学学院神经回路和行为中心主任。后两位科学家Edvard Moser 和May-Britt Moser是一对挪威夫妇，今年五十一二的年龄，他们虽是中学同学，但并不相识，直到1983年在奥斯陆大学才相识。他们有相同的兴趣和爱好，1995年在奥斯陆大学获神经生理学博士，而后到英国伦敦大学学院的O’Keefe实验室作访问学者。1996年他们幸运地接受挪威科技大学提供的副教授职位，虽然该校所在的特隆赫姆(Trondheim)远离国际上著名的研究中心，但是它能同时提供两个职位来实现他们的共同理想，因此他们毅然决定去赴任。他们一到特隆赫姆就忙着建立实验室和饲养实验动物的场所，几年后获得欧共体和挪威研究委员会的巨额经费资助，他们的研究工作就是得益于这些经费的支持。1998年他们被挪威科技大学系统神经科学系Karli研究所聘为教授，现为该研究所主任；2000年May-Britt Moser被聘为教授，现为特隆赫姆计算神经科学研究中心主任。

图1 2014年诺贝尔生理学或医学奖获奖者：(a)N. O’Keefe(图片来自http://en.wikipedia.org/wiki)； (b) Moser夫妇(图片来自http://www.ibtimes.com)

2 位置细胞和栅格细胞

按照人们的日常经验，要寻路回家最好找地标参照物。如果航行在茫茫的大海或荒芜的沙漠，没有明显的参照物，就只好用起始点、行进速度和方向计算出所在位置。这就是所谓的路径积分方法(path integration)[1]。科学家认为哺乳动物和许多其他种类的动物都有这种返巢能力。关于路径积分的假设和理论思考已有100多年历史，哲学家康德和生物学家达尔文都有过这种猜测，但一直没有确凿的证据证明动物和人的神经系统有这种计算能力和机制。今年诺贝尔生理学或医学奖的工作，是这奥秘探索中的重大突破。这项工作的原创性研究始于20世纪60年代O’Keefe等人对鼠的深入实验研究。最初的工作发表在1971年的《Brain Research》期刊上[2]，文章首次报道鼠海马中发现存在对位置敏感的神经元，即位置细胞(place cell，PC)。海马是大脑深处的一个部位(图2)，其功能负责把感觉信息转入长期记忆。他们当时使用微电极技术，把电极植入鼠的脑中，记录单个细胞的放电活动，从而观察动物自由行动时这个神经细胞的反应。

图2 大脑中海马的形态和位置

O’Keefe等人发现，当鼠处于活动空间的某一特定区域时，海马中一些锥体细胞强烈放电，最大放电频率达到几十赫兹，而在其他区域很少或者几乎没有发放。这类发放活动强烈依赖于动物位置的细胞，对应的局部空间区域被称作位置细胞的位置野(place fi eld)(图3)。海马位置细胞可能是海马中的锥体细胞，也可能是齿状回的部分颗粒细胞。一个位置细胞可能具有一个或多于一个的位置野，不同位置细胞的位置野大小和形状各异，尺度一般在20～50 cm之间。位置野非常稳定，动物多次进入同一个熟悉环境时，位置野的分布保持高度一致；而当动物进入另一新环境时，海马位置细胞集群立刻更新，位置野分布亦随之改变，这种转变瞬间完成。位置细胞的发放率在位置野中心达到最大，而在动物刚进入或离开位置野时，平均发放率相应地呈逐渐上升或逐渐下降的趋势。另外，位置细胞还具有一个奇特的性质，即放电脉冲相对海马的θ节律的位相逐渐前移。穿越一个完整位置野伴随的位相前移总量正好达到2π，可以看出电脉冲相对海马θ节律的位相编码了动物在位置野内的相对位置。

图3 海马位置细胞的发放率和时间双重编码[3]：(a) 大鼠沿一条直跑道从左向右移动；(b)一个海马细胞的位置野或发放野，伪彩色表示发放频率大小，红色表示发放最大；(c) EEG节律(黑色曲线)和位置细胞峰电位(红色竖条)的关系

路径积分不仅需要位置信息，也必须接受方向信息信号。幸运的是，这个证据不久便被找到，1984年Ranck在海马邻区的下脚复合体中(postsubiculum)发现了头朝向细胞(head direction cell，HDC)。头朝向细胞对动物头的朝向非常敏感，当头转向其最优方向时头朝向细胞发放，与动物的位置和当前行为状态无关(图4)。随后的一系列实验证实头朝向细胞广泛存在于多个脑区。

图4 一个典型的头朝向细胞的发放频率与动物头朝向的关系[4](纵坐标为发放频率，横坐标为头朝向的角度)

更令人鼓舞的是2005年《Nature》杂志发表了挪威科学家Moser夫妇领导的研究小组的最新成果，他们在内嗅皮层浅层(layer II of the dorsocaudal medial entorhinal cotex，内嗅皮层位于海马近旁)找到了被叫做“栅格细胞”(grid cell，GC)的神经元。他们的工作也是使用微电极技术植入鼠脑中，鼠可以在实验箱子内自由行动。实验箱子相当宽大，一种方形箱子长宽各1 m，高50 cm，还备有不同形状的箱子，如圆柱形箱子等，以观察不同形状对动物行为的影响。箱子壁上安置一标志物，供动物定位参考。四壁可以涂上各种颜色，考察不同颜色对动物行为的影响。顶上安装一照明灯，可控制其开关。实验时在地板上撒下食物，例如鼠爱吃的巧克力，让鼠在箱子内觅食，随意行走。仪器设备可以记录下鼠的行走路径，同时记录鼠脑中神经细胞的发放情况。从实验结果中可以看出鼠在某个地点时这个细胞的反应情况。实验数据有点杂乱无章，必须经过数学处理才能看到清晰结果，幸好E. Moser在念大学时拿过三个学位——心理学、数学及统计、神经生物学，所以他有足够的能力处理数据。数据结果清晰地表示，动物走到地板上的某些点时有强烈的发放，这些点正好形成正三角形的顶点(图5)。只要是正三角形可以延伸到的地方，栅格细胞准确无误地在其顶点发放。相邻栅格细胞的三角形网格的朝向和网格间距相同，但发放野位置略有不同。一小群解剖上靠近的栅格细胞的发放野可以覆盖整个空间，好似内嗅皮层中存在一副外部世界的空间地图。栅格细胞的发现无疑是对哺乳动物基于“认知地图”(cognitive map)进行路径积分这一理论假设的重要支持。该项工作发表后，由于栅格细胞发放野中兴奋点的极其规律性的分布，引起许多计算神经科学家联想翩翩。海马神经细胞接受内嗅皮层神经细胞的输出，应该说是它们的上层组织，而内嗅皮层细胞的感受野呈现周期性网格状的分布，使人容易联想到傅里叶变换中的基函数(正弦函数或余弦函数)，从而猜测神经系统处理信息的过程类似光学全息过程。不少理论神经科学家提出多个模型，解释内嗅皮层与海马之间的信息处理过程。

图5 内嗅皮质上的栅格细胞的发放野形成有规律的三角形网格结构[5]：(a) 在内嗅皮质上栅格细胞的记录位置(用红色斑表示)；(b) 左侧图是大鼠移动轨迹(黑色)和栅格细胞峰电位发放的位置(红色)，右侧图是经过数据处理后的发放图，用伪彩色表达，红色表示最大发放

三种与认知地图相关的细胞中位置细胞研究得最为深入。实验表明位置细胞在位置野的形成过程并不绝对依赖于视觉，即使在完全黑暗的条件下，位置细胞的位置野依然存在。位置野形成主要受几个因素的影响：前庭系统及本体感觉系统活动和视觉信息输入。前庭及本体感觉系统是提供有关动物自身运动和平衡感的系统。研究发现在黑暗中当动物所处的圆柱形小室缓慢转动90°后(低于前庭系统激活阈值)，位置野分布也作相似旋转；而在小室快速转动且其他条件不变的情况下，位置细胞的位置野保持与外部绝对坐标系相同取向。前者结果说明在无视觉参考标志物的情况下，动物如果没有感觉到慢的旋转运动，位置野相对圆柱形小室不变，相对外部绝对坐标系发生运动；而当动物对快速转动感知时，前庭系统激活给海马方向的信息刺激，位置野以外部绝对坐标系为基准进行“校准”。

为了探讨视觉影响，圆柱形小室的墙壁装上提示板。实验证实，开灯条件下位置细胞的位置野随着小室的转动而转过相同角度。这个结果说明在视觉信息输入占主导的情况下，位置野以视觉标志物为基准进行校准。类似的关于视觉线索对位置野的具体影响的研究有很多，例如：知道了黑暗不影响位置细胞发放，人们还希望弄清楚从来没有视觉经验的动物是否会有位置相关的发放活动。1998年Poucet等研究人员专门针对这个问题展开一项研究，他们选用出生后即失明的大鼠，记录在动物自由移动过程中海马细胞的活动。结果发现，失明大鼠的位置细胞发放与正常视觉动物的非常相似，只是失明动物位置细胞在位置野的发放率显著低于对照组，低发放率可能由视觉输入缺失引起。进一步的研究结果显示，在探索的过程中先天失明鼠会更加频繁地接触置于实验场地中的地形标记物。这说明在视觉线索不存在的情况下，对连续运动路径积分所产生的积累误差，先天失明鼠可以通过不断触摸所处空间的固定物体(甚至嗅觉)加以矫正。

有意思的是，与位置细胞相似，头朝向细胞不完全由感觉信息输入所驱动，也不完全独立于感觉信息。头朝向细胞强烈依赖于前庭系统，特别是对头转动响应的内耳半规管，因此头朝向细胞的发放并不完全依赖于视觉信息的输入。在一个只允许大鼠看到周围墙壁的实验小环境内，如果将墙壁上的白色提示板转动一定角度(转动时将大鼠移出，使它看不到转动过程)，则发现头朝向细胞的最优朝向也随之转动相应角度，但与白板的相对朝向关系保持不变。当白色提示板又转回以前的位置后，头朝向细胞的最优朝向也回到以前的相对关系。说明显著的视觉标志对头朝向细胞的最优朝向起校准作用，静态环境背景及地磁提示的方向信息被强大的视觉输入掩盖。进一步的研究发现，即使在动物不知道的情况下彻底去掉墙壁提示板，也不影响头朝向细胞的发放，只是大部分细胞的最优朝向与有提示板存在时比较至少转动了30°。当在动物看到的情况下重新放入墙壁提示板后，头朝向细胞最优朝向又恢复到以前的角度。甚至当实验环境完全黑暗或动物被蒙上眼睛后，头朝向细胞的发放也基本不受影响，只不过最优朝向与睁眼时有一定的偏差。

当动物首次进入一个新环境时，头朝向细胞或朝向系统的“校准”是随机和任意的。经过最初几分钟的探究行动，动物学会把视野中的标志物和方向联系起来；日后再次回到该环境时，动物依靠记忆校准头朝向系统。

与位置细胞和头朝向细胞相似，栅格细胞的网格状发放野也受视觉信息调控，但并不完全依赖于视觉。当实验环境完全黑暗后，虽然大多数栅格细胞的网格状发放野的发放率有所降低，并且发放野对应的空间位置发生位移，但网格状发放野仍然存在，说明这些栅格本身是独立于外界视觉线索的。如果实验小环境墙壁上的提示板转动90°，栅格细胞的网格状发放野的朝向也随之转过相似角度；当提示板转回到以前位置时，网格状发放野朝向也复原。

总之，视觉信息不是引起位置细胞、头朝向细胞和栅格细胞空间相关发放活动的根本因素，但视觉信息是这些细胞编码的方向和位置信息相对外部环境进行校准的关键。利用视觉的基本校准功能，动物可以更加有效地“使用”认知地图探索空间。

3 研究工作总结

Moser夫妇及同事在2008年发表一篇评论性文章[6]，对动物还巢行为中神经机制研究工作的200余篇论文进行总结和评论。现把要点简述如下。

三四十年的一系列重要工作以清晰的实验证据支持鼠是基于认知地图或“外部空间地图”导航的理论假设，而且指出，以前被认为由海马承担的空间计算功能其实可能由内嗅皮层完成，即海马和内嗅皮层联合回路是认知地图的神经基础，负责导航的分布式神经网络回路的中心。从信息传递角度，解剖上发现内嗅皮层位于海马上游，是海马的主要传入纤维。内嗅皮层的第二层投射到海马的齿状回和CA3区，第三层投射至CA1和下托。

栅格细胞有一种周期性的放电场，这个场把整个环境用有规律的三角形网格覆盖。

路径积分过程中所需的速度和方向信号可能是发生在神经群体水平，或者在单细胞水平用时间振荡的干涉过程实现。

海马上的位置细胞可能是内嗅皮层上的栅格细胞聚合而成，这些栅格细胞有着一组不同的空间尺度，这个过程类似于傅里叶变换。

位置细胞参与了一些高级正交的环境特异性表达，位置细胞发放中θ相位变化是系统表达中的可能机制。

总而言之，我们可以设想大鼠的觅食和返巢过程在它的脑神经中是这样进行的：t1时刻大鼠到A点，引起海马中某个位置细胞PC(A)有强烈发放，某个头向细胞HDC(A)也有强烈发放，内嗅皮质上某个栅格细胞GC(A)也强烈发放。t2时刻当鼠行走到B点时，在海马和内嗅皮质的位置细胞PC(B)、头朝向细胞HDC(B)和栅格细胞GC(B)都有强烈发放，……随着鼠的连续行走，在它的海马和内嗅皮层，留下一系列兴奋细胞的痕迹，这条痕迹存储起来变成它的认知地图，可供它还巢时使用。

4 任重道远

Moser等2008年发表的这篇评论文章中还指出，在这个研究方向上仍有多个方面的问题需要探索。例如：在发育过程中，位置细胞、栅格细胞如何形成？又是如何更新的？成年鼠脑中这些细胞如何保持学习过程中的可塑性？路径积分理论中细胞机制和网络机制是什么？内嗅皮质是如何组织起来的？认知图是模块化的还是连续型的？它与脑的其他部位如何相互作用的？位置细胞发放中的相位信息如何形成？内嗅皮质侧面部位的功能是什么？它对海马的空间表达有何贡献？海马的记忆如何影响新皮质记忆的形成？海马和内嗅皮层上的认知地图如何与皮层系统相互作用？这些问题的解决都需要细致和踏实的研究工作，而且还需持之以恒的努力。

本项得奖工作，属于脑科学的研究领域。脑科学应当说是生理学中发展较晚的一个分支，其中的每个点滴进步，都来之不易，进展艰难而缓慢。100年前，西班牙科学家Roman Y. Cajal利用意大利解剖学家C. Golgi发明的一种染色方法，发现脑组织不是像肉眼观察到的蛋白冻那样均匀的一团浆糊，而是由一个个分离的形态各异、大小不同的神经细胞组成的，从而创立了脑的神经元学说，奠定了脑科学的基础。他们两人为此荣获1906年诺贝尔生理学或医学奖。近百年来，脑科学依仗物理技术的发展，取得突飞猛进的发展，但是在感知觉、学习记忆等脑的重要功能方面，没有一个问题得到彻底解决。例如，婴儿出生后三个月就会认识母亲的面孔，无需父母的教练。这个神奇功能至今没有彻底搞清。虽然历年来有好几位科学家在视觉研究方面获得诺贝尔奖，如Hartline、 Hubel和 Wiesel 等，理论观点也层出不穷，从群魔理论、老祖母细胞学说、稀疏编码等不一而足，但无一能全面解释人的图像识别能力。今年诺贝尔生理学或医学奖也是如此，在鼠的还返巢行为的研究上有所突破，如果更扩大一些考虑别的动物，如蜜蜂是昆虫，它的脑中没有海马和内嗅皮质，也没有内耳平衡系统和前庭系统，它是如何返巢的？鸽子属于鸟类，虽然比较高级，据认为靠地磁进行导航，它也有位置细胞和栅格细胞这类神经机制吗？再说到人类就更复杂了。

经验告诉我们老年人和孩子容易迷路。医学家发现老年痴呆病人的海马最早受损。通常解释为，孩提时代海马还未发育成熟，而老年人的海马已经退化。但究竟在人的头脑中定位系统是如何建立起来，又是如何在衰老过程中失去功能的？有一种称为“发育性定向缺失症” 病人，从起居室走到客厅都会迷路，他的头脑中究竟发生了什么变化？老年性神经退化、老年痴呆症是否也影响到位置细胞和栅格细胞？等等这些问题都有待于进一步研究。

研究工作没有终点，让我们期待科学家们揭开这些奥秘吧！

(2014年10月25日收稿)

[1]汪云九, 武志华. 心灵之窗[M]. 北京: 科学出版社, 2010年.

[2]O’KEEFE J, DOSTROVSKY J. The hippocampus as a spatial map.Preliminary evidence from unit activity in the freely-moving rat [J].Brain Research, 1971, 34: 171-175.

[3]HUXTER J, BURGESS N, O’KEEFE J. Independent rate and temporal coding in hippocampal pyramidal cells [J]. Nature, 2003,425: 828-832.

[4]TAUBE J S. The head direction signal: origins and sensory-motor integration [J]. Annual Review of Neuroscience, 2007, 30: 181-207.

[5]HAFTING T, FYHN M, MOLDEN S, et al. Microstructure of a spatial map in the entorhinal cortex [J]. Nature, 2005, 436: 801-806.

[6]MOSER E I, KROPFF E, MOSER M B. Place cells, grid cells,and the brain’s spatial representation system [J]. Annual Review of Neuroscience, 2008, 31: 69-89.

Where am I——Introduction to the research works of 2014 Nobel Prize Winner in Physiology or Medicine

WANG Yun-jiu
Professor, State Key Laboratory of Brian and Cognitive Science, Institute of Biophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China

At first the academic careers of 2014 Nobel Prize Winner (John M. O’Keefe, Edvard I. Moser and May-Britt Moser) are introduced brief l y in this paper. In the 1970’s O’Keefe found that the neural cells in hippocampus of rat brain are sensitive to the position of the animal so named place cell. Then E. Moser and M. Moser discovered that grid cells of the rat entorhinal cortex show receptive fi eld with regular triangle pattern. These cells may be organized in rat brain to perform navigation behavior in environment. At last, because of the complexity of brain science we point out that there are still long way to go to solve the problem of animal navigation absolutely.

place cell, grid cell, animal navigation

10.3969/j.issn.0253-9608.2014.06.004

(编辑：沈美芳)