发现大脑定位系统的细胞组构

林龙年

人和其他许多动物都能够随时随地识别出自己身体在环境空间中的位置，并在其中随意地自由活动，更会在熟悉空间环境的基础上选择从起点到终点的最短路线，这种能力是以脑内特定神经机制为基础的。通过对2014年度诺贝尔生理学或医学奖的解读，能体会神经科学领域中几代科学家前后相继执著探索的艰辛，也能初窥大脑内在建构之奥秘。

2014年的诺贝尔生理学或医学奖颁发给了三位科学家——英国伦敦大学学院的奥基夫（John OKeefe）教授，以及挪威科学技术大学的迈-布丽特·莫泽（May-Britt Moser）教授和埃德华·莫泽（Edvard Moser）教授。奥基夫教授出生于1939年，获奖的主要贡献是在1971年发现了位置细胞：两位莫泽是一对夫妇，莫泽先生出生于1962年，莫泽夫人出生于1963年，他们的主要贡献是在2005年发现网格细胞。在当今才俊辈出、硕果累累的神经科学界，为何他们三位的贡献能够摘取诺贝尔奖？因为他们的发现让我们了解，人或其他动物在空间环境中活动时，脑内会有相应的一些神经细胞被激活。这一系列特定神经细胞的放电活动，告诉动物个体自己身在何处，它们构成了大脑内部的定位导航系统。上面说的涉及非专业读者不易理解的一些内容，现在结合神经科学的背景知识来进行说明。

神经元和多通道在体记录技术

脑是由大量的神经细胞（又叫做神经元）构成的。如今人们知道这一点，主要归功于两位前辈科学家——意大利人高尔基（Camillo Golgi）和西班牙人卡哈尔（Santiago Ramony Cajal，又译拉蒙-卡哈尔）。前者发明了一种独特的脑组织染色方法，叫银染法，能够把脑组织切片中大约3%～5%的神经元染色，从而可在光学显微镜下清楚地看到单个神经细胞的形态，观察到神经细胞的胞体、树突和轴突等结构。卡哈尔运用高尔基发明的这一方法，花了十多年时间潜心研究神经系统的基本构造，论证了神经系统也是由细胞构成的，其最基本的结构单位是一类叫做神经元的细胞，而且各个神经细胞实际上是分开的，并没有直接连接形成—个网状结构。由于这个贡献，他和发明银染法的高尔基一起，获得了1906年的诺贝尔生理学或医学奖。

有意思的是，在当年的诺贝尔奖颁奖会上，高尔基并不赞成卡哈尔的观点，他坚持认为神经细胞在末端接触之处会有某种连接，他支持与神经元学说相对立的网状学说。直到电子显微镜发明之后，在1950年代，神经科学家们才直观地看到神经元之间是有缝隙间隔的，从而证实了神经元学说的正确性。神经元之间这个极其狭小的缝隙间隔，及其附近细胞膜的特化结构，在神经元间的信息传递过程中有着重要的作用，英国科学家谢灵顿（Sir Charles Scott Sherrington）把这一结构命名为“突触”。还须补充一点，在动物中也确实存在着神经元之间互相联通和直接传导电信号的结构，叫做电突触。只是在神经元与神经元间的突触联系中，电突触所占比例很小。

脑内究竟有多少神经元呢？以往估计大约在千亿的数量级，可是没人能讲得出较确切的数字。2005年，巴西女科学家埃尔库拉诺-欧泽尔（Suzana Herculano-Houzel）对全脑组织进行取样，将神经元的细胞膜溶解，制成均匀分布的全脑神经元细胞核悬浮液，然后进行染色并且采样计数，由此推算出在人的大约1500克的脑中，约有860亿个神经元，是猕猴（63.76亿）的13倍、小鼠（0.71亿）的1200倍。人之所以会成为世界的主宰，要归功于他所拥有的巨大数量的神经元。

那么，脑内神经元又是怎样活动的呢？神经元活动方式的发现，要归功于两位英国科学家——霍奇金（Alan Lloyd Hodgkin）与赫胥黎（Andrew Fielding Huxley）。1936年，他们把微电极插入离体的神经纤维内，观察其膜电位的变化。结果发现，当神经元活动时，神经元的膜电位会发生一个很短促的变化，幅度约为100毫伏，持续时间约为1毫秒。神经元每活动一次就会有一次这样的变化，这种电位变化被叫做动作电位。对于单个神经元来说，动作电位的幅度是不变的，就像现代计算机中的数字信号一样，有活动时为1，无活动时为0。动作电位（或者说放电）的频率能反映神经元活动水平的高低。神经元的动作电位可以通过电生理学方法记录得到，它为研究神经元的活动提供了一种客观的检测指标。

1971年，当奥基夫32岁时，他开发了一种多通道在体记录技术。这种技术是在动物清醒活动的状态下，通过预先植入动物脑内的电极，来记录单个神经元的放电活动，而增加植入电极的数量就能检测到群体神经元的活动。运用这项技术，奥基夫开始了对大鼠脑神经元活动的研究。1995年，莫泽夫妇到奥基夫的实验室，用几个月时间掌握了这项技术，然后回到挪威建立了自己的实验室。这以后，莫泽夫妇在挪威也用相似的技术观察在清醒活动的状态下，大鼠脑内神经元是怎么活动的，以及神经元活动与大鼠行为之间的相关性。

海马结构和位置细胞

开发和完善了多通道在体记录技术之后。该用它去记录大脑里哪些神经元的活动，研究什么问题呢？奥基夫选择了大脑的海马结构。海马是大脑深部的一个结构。因形状与海洋动物海马相似而得名。

奥基夫为什么会选择海马来研究？这要从治疗癫痫的外科手术说起。1953年有一位顽固性颞叶癫痫患者莫莱森（Henry Gustav Molaison，缩写是H.M.，以后就以此缩写闻名于世）找神经外科大夫求诊。鉴于H.M.症状的严重性，大夫给他做了双侧海马切除。手术很好地控制住了癫痫的发作，却造成了记忆方面的问题。于是这位H.M.被介绍给心理医生米尔纳（Brenda Milner）女士，米尔纳对他进行了系统的记忆能力检测，发现H.M.对手术以前的事保持着较好的记忆，他的短时记忆也没有问题，却再也无法形成对手术之后所有事情的长久记忆。任何已经历过的事情，对于他来说就好像没有发生过，昨天读过的报纸他今天读起来还是津津有味；哪怕对一会儿之前刚见过的人，他也会当作初次见面那样来打招呼。1957年米尔纳女士发表论文描述了H.M.的症状，从而使人们了解，海马结构在新记忆的形成过程中有着非常重要的作用，切除大脑内的海马结构会损害短时记忆转化为长时记忆。于是很多科学家投入到对海马的研究中。奥基夫选择海马来进行他运用多通道在体记录技术的研究，预期在这个脑结构里，或许能记录到一些跟记忆有关的神经元。

奥基夫的实验是这样做的：他选择了大鼠海马内的一个叫做CA1的区域，植入电极，然后让大鼠在一个方形的实验空间里自由活动。结果奥基夫惊奇地发现，在记录到的海马神经元中，有一些神经元在大鼠跑到特定的地点时有很高的放电频率，而当大鼠在其他地方跑动时这些神经元并不怎么活动，也就是说这些特定神经元仅仅当大鼠身体处在特定位置时才活跃，因此奥基夫将其命名为“位置细胞”（place cell）。他的研究结果最初并未得到神经科学界的重视，相关的论文只发表在影响因子不高的《脑研究》（Brain Research）杂志上，但是这一发现后来得到了其他很多实验室的证实。奥基夫通过对海马位置细胞的一系列研究，进一步发现在海马结构中，某一个位置细胞当大鼠在某一个位置时放电，而其他的位置细胞则当大鼠在其他位置时放电，环境空间的每一个位置都会有一群位置细胞与之相对应。由此奥基夫认为。海马中对应各个空间位置的位置细胞组合在一起，可能构成大脑里关于外界环境的认知地图。也就是说，当大鼠身在任意空间环境的任何一个位置，都会有一群海马位置细胞去编码它。

有关大鼠海马位置细胞的实验是在平面空间里完成的，那么在三维空间中又会怎样？有科学家对蝙蝠开展了类似的研究。他们发现在蝙蝠的海马中，也同样存在位置细胞，其中有的位置细胞会在蝙蝠处于三维空间上的某一个位置时放电。当然，对应于某个空间位置的也是一群细胞而非一个，所以会看到一群细胞同时在某个空间位置放电。把所有的位置细胞组合起来，就构成了布满整个三维空间的认知地图。

正是通过奥基夫的发现和其后许多科学家的研究。人们知道了海马位置细胞的功能。

网格细胞的放电模式与功能

细心的读者可能会问：大脑内的位置细胞又是怎么知道动物个体到了这个地方，并开始放电活动的呢？当然，这需要有来自外界环境的感觉信息的传人作为先决条件。感觉信息的传人一般来说有两种，一种是视觉信息，比如看见某个辨认地点的标志物等；此外还有路径整合信息，如把眼睛蒙上，我们会依靠数步子来判断距离等。当时推测，所有这些信息汇集到海马，就会使海马中的神经元成为位置细胞。

那么海马CA1区接受其他什么脑区的信号传人呢？CA1区接受传人的一个主要区域是海马CA3区，所以有很多实验室研究了CA3区。结果发现，在CA3区也有位置细胞，但比例较CA1区低。莫泽夫妇在2002年也针对CA3区做了一个很有意思的实验。他们用药理学的方法损毁整个CA3区的神经元，而让CA1区仍保持完好，结果发现CA1区位置细胞的功能仍很正常、没有什么改变，这让他们感到非常奇怪，实验结果发表于美国《科学》（Science）周刊上。

既然CA3区不是CA1位置细胞功能的主要信息输入来源。那么CA1位置细胞肯定还有其他的信息输入来源。当时已发现，在内嗅皮层上有一群细胞把神经纤维直接投射到CA1区，于是莫泽夫妇在2004年开始关注内嗅皮层区域，他们把电极植入到内嗅皮层中。除了是在内嗅皮层中记录神经元，实验的其他设计和安排跟前面讲的奥基夫的实验基本一样。结果发现，大鼠在整个空间环境中跑动时，内嗅皮层的细胞也对位置信息有反应。但与海马位置细胞不同的是，它们不是在某一个地点位置上有反应，而是在环境空间中的多个不同的地点位置上都有反应。如此画出来的放电频率位置图，看上去让人觉得特别乱。莫泽夫妇在2004年发表于《科学》上的论文中报道了这一现象，但当时并未提出网格细胞的概念。

到2005年，埃德华·莫泽教授凭着他出色的数学功底，产生了一个几何学的灵感。内嗅皮层细胞在给定的环境空间中可以形成多个反应位置野，他把每两个相邻的位置野中心互相连接，就得到了一系列非常规整的正三角形结构。每当大鼠的身体处在这些正三角形的顶点位置时，内嗅皮层内与之相对应的神经元就会被激活，而所有三角形的格子组合起来，就构成了一张铺满环境二维平面的网格。莫泽夫妇将内嗅皮层内的这些细胞命名为“网格细胞”（grid cell）。

莫泽教授再往前推进他的探究。如果说在一米边长的环境当中，网格细胞的反应位置野会按正三角形的网格排列，那要是把环境扩大到两米边长会怎样？结果是，随着跑动空间的扩展，网格也会扩展过去。所以不管在什么样的环境中，网格细胞的活动都会铺满整个二维的环境平面。他总结了内嗅皮层网格细胞的放电模式：网格细胞相邻两个位置野的连线构成一个正三角形；以一个位置野为中心，其周围位置野的连线则构成一个正六边形的结构。理论计算发现，正六边形的结构能用最少的格子表征最大的空间；从线性代数的角度来说，它则是最简洁的。莫泽等人还做了另外一个很有意思的实验，在亮灯的时候内嗅皮层的网格细胞在环境中会有很好的反应，所有反应的位置野构成规则的网格；但在关灯黑暗的条件下，他们发现网格细胞的反应特性与亮灯时基本一致。这一点跟海马的位置细胞有很大不同，大部分位置细胞在关灯的时候是受影响的，虽然也有一小部分不受影响；但大多数网格细胞所受的影响不大。也就是说它们并不一定依赖于视觉信息的传人。

网格细胞的放电模式还有以下几个特性：一个是尺度，一个是方向，另外一个是相位。这里简单介绍什么叫做尺度。莫泽夫妇发现，在所记录到的网格细胞中，网格的间距并不一致，有的网格之间的距离较小，有的则较大。为什么会有这样的不同呢？想一想我们看到过的地图，不同的地图有不同的比例尺度。地图上同样的l厘米可以代表1000千米、20千米或者50米，比例尺度越细，在地图上看到的细节越多，反之就能更多地看到全貌。莫泽先生发现，在整个内嗅皮层的排列中，小尺度的网格细胞和大尺度的网格细胞排列得极其有规则。从内嗅皮层背侧往腹侧走，网格细胞的尺度是一点一点地在增加，就好像地图的不同比例尺度一样。

网格细胞和位置细胞又是什么关系呢？目前对这个问题还没有最后定论。有一种理论认为，假如不同尺度的网格细胞同时汇聚给海马CA1区的一个位置细胞，那么在网格传人重叠的对应空间区域，就会促成该位置细胞放电；而对于其他网格未重叠的空间区域，则这个位置细胞就不放电。以这种方式，网格细胞给位置细胞提供了基本位置信息的输入来源。

自从在大鼠中发现了网格细胞之后，在蝙蝠和猴子中也有报道，最近在人类的内嗅皮层中也发现了网格细胞。2013年在《自然·神经科学》（Nature Neuroscience）上刊登了一篇论文，研究者让由于治疗需要被植入脑内电极的病人，在虚拟现实情景中寻找某件隐藏的东西，而且任务要求受试的病人必须把整个虚拟空间都跑遍，同时进行脑内的记录。结果发现，在人脑的内嗅皮层中也存在着网格细胞。

网格细胞的功能意义是什么？有一种观点认为它们在路径整合中起着比较重要的作用。比如说大鼠搜索了一些地方找到了食物，现在要回到自己住处。这时候它会按原路返回吗？不会。大部分的大鼠都会选择最短距离的路线回到住处。假设大鼠脑内只有位置细胞，则大鼠虽有经过路径的信息，却不能计算出当前位置和住处间的直线距离，就无法做出直奔住处的选择；而有了网格细胞就可以进行距离方面的估计，于是导致了大多数鼠不按原路而选择最短路线返回。这就是网格细胞的路径整合功能。

情景记忆与海马的编码机制

探索海马结构的功能本来是为了研究记忆，奥基夫的初衷也是如此。可是后来。三位获奖者却意外发现了大脑空间定位的机制。他们的研究成果跟记忆问题还有没有关系呢？回答是肯定的。有一种记忆叫做情景记忆，就是关于个体所经历事情的记忆。构成情景记忆有两个基本要素，即地点和事件。三位科学家探明了海马及内嗅皮层神经元对于空间位置信息的记忆编码。

海马结构中也有神经细胞对其他事物的信息进行记忆编码，例如可以让实验鼠记住自己睡觉的窝，并记录到对于窝有特征性反应的海马神经元。笔者的团队就曾发现在实验小鼠的海马中存在这样的神经细胞：每当小鼠看到它睡觉的窝时，这类神经元就会被激活，我们把它们命名为窝细胞。更有意思的是，海马窝细胞的放电活动跟窝的形状或者材质无关。不论把窝换成圆形的还是方形的，也不论换用什么材质制作的窝，海马窝细胞都会有很好的反应。我们推测，海马的这类神经元具有概念编码的特点。

人的海马结构中有没有编码概念的神经元？2005年英国《自然》（Nature）周刊上有一篇论文报道，在一位病人的海马结构里植入电极后，发现有一些神经元专门对知名女演员贝瑞（Halle Berry）有活跃的反应。不管让病人看到贝瑞的正面照、简笔画还是哪怕她的名字，这些“贝瑞细胞”都会被激活；反之，对其他演员不管怎么换来换去都没有反应。因此，人的海马结构内也存在具概念编码特性的神经元。

总之，人和其他动物的情景记忆中包括对地点和事物信息的编码。三位科学家所发现的位置细胞和网格细胞，它们编码位置和空间定位的相关信息，是情景记忆机制的重要一部分。

探索将继续下去

2014年10月7日，在瑞典首都斯德哥尔摩，诺贝尔奖评审委员会宣布了该年度生理学或医学奖颁发给奥基夫、迈-布丽特·莫泽和埃德华·莫泽的消息。奥基夫接到颁奖电话时，正在家里修改他的基金申请报告，事后他告诉采访记者，得知获奖消息时，“惊喜不已，激动万分”。莫泽夫人接到电话时正在主持实验室例行会议，闻讯后“简直不敢相信，甚至都掉下眼泪”。莫泽先生正在飞往慕尼黑的路上，所以没有接到电话，等飞机着陆后，发现机场打出表示隆重庆贺的水幕，再低头看手机，已经有大量向他道贺的电子邮件和短信等候着浏览。三位科学家的欣喜之情是不难想象的。

在好不容易赢得的殊荣面前，这几位科学精英正思考着什么，又有着什么样的未来打算呢？最近，莫泽夫妇接受了中国财新网记者的采访，莫泽先生是这样说的：“在科学研究中，每一次的发现成果都伴随着对更多发现的期待，科学家们在不断深入研究的同时会收获越来越多的问题，永无止境。”这对科学家伉俪注意到他们探究的内嗅皮层正是阿尔茨海默病首先损害的脑区，而且对大脑定位导航系统的研究也有助于回答哲学认识论的某些问题，他们会把探索继续下去。至于奥基夫，他今年已76岁高龄，却在赞助基金资助下组建了一个新的神经科学研究中心。对这样老当益壮的科学家，人们不能不由衷地感到钦佩。

关键词：海马 位置细胞 网格细胞 空间定位 情景记忆