因在大脑中发现了构成定位系统的细胞而获得了2014年的诺贝尔生理学或医学奖。

于茗骞

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导航——如何从一个地方到另一个地方，是对动物来说最基本和最重要的技能之一，对人类也是如此。为了成功地导航，动物需要创建一个关于外部环境的内在“认知地图”。这由大脑中一个特定的系统负责，包含几个大脑区域和各种类型的细胞，在导航中每个部分都有其独特的作用。

在这篇文章中，我将概述这个内部导航系统的一些主要组成部分，重点关注网格细胞。这是我们发现的一类神奇的神经细胞，能在大脑中创建一个坐标系。最后，我将根据我自己的生活经验，提供一些综合性建议。

一提到导航时，你想到的第一件事是什么？是大家手机里都有的定位系统？还是一段潜艇驶达目的地的水下旅程？或者是童子军在夜晚找到回到营地的的团队任务？如果我告诉你，你的大脑有一个内置的导航系统，负责明确你在当下的位置，然后发挥向导作用，这样你就可以成功地从一个地方走到另一个地方呢？这种在头脑中对环境的认识通常被称为认知地图（cognitive map）。

虽然导航看起来再自然不过，但大脑的导航系统实际上相当复杂，由几个大脑区域和各种类型的细胞组成。这篇文章将带你一起破解导航这一谜题，最后，我们会把目标锁定到大脑中一个非常特殊的神经细胞系统，那就是网格细胞（grid cells）。正是这个定位系统让我们荣膺2014年的诺贝尔奖。

如果我们要开始导航的话，第一步需要做什么？你猜对了！你需要知道你当前所处的位置。你能想出一种方法来让大脑确定你现在的位置吗？我会给你一个提示——这与你手机里的GPS定位的方式不同。

正如你所知，GPS使用至少四颗不同的环绕地球轨道的卫星发出的信号。利用基于高等物理学的数学计算，你的手机能用这些卫星信号来非常准确地确定你的位置。但是，大脑是否会从外界接收信号来确定你的位置呢？答案是否定的。那么，你的大脑是如何确定你在哪里呢？在继续读下一段之前，不如先试着想出至少两个可能的解决方案。

事实证明，在大脑中，有些神经细胞表征了你的位置，这些被称为位置细胞（place cells）。1971年，两名叫约翰·奥基夫（John O'Keefe）和约翰·多斯特罗夫斯基（John Dostrovsky）的研究人员在研究大鼠大脑的电活动[1]。在观察一个叫做海马体的大脑区域时，他们发现，当动物处于周围环境中的特定位置时，某些神经细胞就会变得活跃起来，并以高速率发射电信号（图1）。当大鼠在不同的位置时，其他的位置细胞就会被激活。

换句话说，如果你站在房间里的一个特定位置，在你的海马体中有一个特定的位置细胞会非常活跃，正是这个细胞让你知道你所处的位置。这些位置细胞的电活动是如此精确，以至于如果我们同时记录100个位置细胞的活动一段时间，我们就可以准确地预测出一只大鼠在5厘米内的位置！这非常厉害，因为这些细胞在大脑深处，远离感官；它们没有眼睛、耳朵或任何其他感觉器官，那么这些位置细胞是如何获取关于环境的信息呢？

大鼠和人类大脑的海马体中都有位置细胞（浅棕色）。盒子中的白线表示大鼠在实验环境中的运动路径。红色区域表示海马体中特定的位置细胞（大鼠海马体上的黑点）变得强烈活跃起来。这是这个特定的位置细胞所表征的位置。当大鼠在不同的位置时，不同位置细胞被激活；它们一起构建了一个关于当下环境的内在认知地图。

假设，一个特定的位置细胞让你知道你站在哪。然后，你步行一段时间，使用另一个位置细胞来确定新位置。但是你怎么知道这两个地点之间的距离呢？换句话说，你如何知道这两个地点的相对位置？

首先，试着考虑一下你需要知道什么信息来计算两点之间的距离。如果我告诉你我要走2分钟，你能确定我走了多远吗？没错，你需要知道我的步行速度。大脑在速度细胞（speed cells）的帮助下解决了这个问题[2]，它会让你知道你的移动速度。这些细胞不在海马体，而是位于一个截然不同的被称为内嗅皮层（entorhinal cortex）的大脑深部区域。

如果你知道我的起始位置，我的步行速度，以及我走了多久，你能知道我现在哪里吗？还是需要额外的信息？比如，如果你知道起点和终点相距100米，你能知道我在起点周围的半径为100米的圆上的位置吗（图2）？答案是否定的。

你需要的额外信息是方向。大脑也有头朝向细胞（head direction cells），这在大脑的数个区域均可被发现[3]。当这些细胞活跃时，动物能知道自己的移动方向。因此，知道你的初始位置，步行速度和时间，以及步行的方向，你可以准确地判断你现在相对于起点的位置（图2）。

从一个给定的位置（通过位置细胞确定）出发，并以每分钟50米的速度走2分钟，你就知道你总共走了100米。但是你能确定你在周围半径为100米的圆上的确切位置吗？并不能！（蓝色虚线）。为此，你需要头朝向细胞，它确定了你的头部朝向（红色虚线）。

这是一个困难但很有价值的谜题。要从位置A导航到位置B，我们发现只要知道初始位置、速度、时间和运动方向就足够了。然而，令许多大脑研究人员惊讶的是，大脑使用了一个额外的和惊人技巧来解决导航问题。我会给你一个提示：它与地图上的坐标系有关。这个大脑系统被称为网格细胞（grid cell）系统。

网格细胞系统位于大脑的中部，比耳朵位置略低，在一个被称为内嗅皮层的大脑深层区域（图3紫色区域），该区域靠近海马体。不同的是，海马体位置细胞在动物通过一个特定的位置时变得活跃，而网格细胞在许多位点均变得活跃（图3）。

最令人惊讶的是，这些位点形成了一个对称的和极其精确的晶体状图案，其特征是中心位点与最近邻点以等边三角形连接。这些位点被称为坐标，形成一个六边形（六边多边形）网格，因此，我们决定将这些细胞命名为网格细胞[2]。需要强调的是，网格细胞的坐标图案是在大脑内产生的，外部世界里并不存在。

图3：内嗅皮层的网格细胞在多个位置被激活，在大脑中形成一个对称的坐标系。

网格细胞位于大脑的一个被称为内嗅皮层的区域（紫色）。盒子中的白线表示老鼠在环境中的运动路径。同一个网格细胞在大鼠运动路径上的多个位置（紫色圆圈）产生电活性。网格细胞激活的位置处于在一个高度对称的六角形网格中。

每个网格细胞都会形成一套独特的坐标模式，相对于附近其他网格细胞形成的坐标移动。通过这种方式，整个环境被网格图案所覆盖（图4A）。只有一个网格细胞也不能确定动物在哪里，因为每个网格细胞在多个位置都是活跃的，这些位点从而形成一个网格。

但是，由于不同网格细胞之间的位置变化，以及网格的不同尺度（图4C），可以使用几个细胞的重叠网格，非常精确地确定动物的当前位置[3]。这些网格图案可以作为大脑内的坐标图，也可以用于测量空间中不同点之间的距离，这是导航的必要条件（图4B）。

我们发现，即使动物在黑暗中行走时，网格细胞的网格结构也仍然存在[4]。我们发现，为了将网格投射到在动物所处的特定环境中（一个大房间还是小房间？），动物会使用感官信息，特别是视觉信息，如房间里墙壁上的线索和墙壁的位置。当墙壁上的线索被旋转时，网格图案就会旋转，当其中一面墙壁被移动使得房间变大或变小时，网格可能会扩大或收缩。

有趣的是，在内嗅皮层上，不同深度的网格细胞表征的是同种环境，不过是在不同尺度上[4]。位于内嗅皮层背侧（上）部分的网格细胞构成了一把精细的标尺，在相距约25厘米的近距离物理位置激活（图4C，右上角），而更深的（腹侧）网格细胞则构成了一把粗糙的标尺[1] ，因为它们在更远的可达3米的位置激活（图4C）。不同尺度的网格细胞都保持着相似的对称网格图案。

让我再来告诉你一个关于网格细胞的神奇之处。显然，不仅仅是大脑使用网格细胞进行成功和高效的导航。英国伦敦DeepMind人工智能公司最近进行了一项有趣的研究，研究人员向一台学习机器提供了有关头部方向和速度的信息，让这台机器学会在一个充满挑战的新环境中导航。经过学习，这台机器在导航方面已经可以胜过人类。令人惊讶的是，这台机器还自发地创造出带有网格图案的人造单元——与大脑中的网格细胞非常相似[5]。

这告诉了我们什么？即使网格细胞图案是进化过程中“碰巧产生”出来的，那对导航来说也一定非常有用。我们知道，大脑是非常高效的，如果有一种现象（如网格细胞）几乎是偶然产生的，那它可能会对动物的生存有益。不妨这样想：想象一下你收到了一个工具，比如螺丝刀，而你不知道它是用来做什么的。随着时间的推移，你可能会尝试在不同的情况下使用螺丝刀，最终你会发现它很有用，对吧？这对大脑也适用：它探索如何使用拥有的所有工具，并找到这些工具有利于动物生存的方法。

图4：网格细胞坐标下的环境。

（A）三个网格细胞（绿色、蓝色和红色），同时记录了大鼠在圆形环境中运动时的网格结构。蓝色细胞的网格结构用浅蓝色的六边形突出显示。这三个细胞具有相同的网格间距和方向，但在空间上位置不同。

（B）网格结构可以作为环境认知地图的坐标系统。

（C）位于内嗅皮层背侧（上）的网格细胞（紫色）代表精细尺度（右上角的密集网格），而腹侧（更深层次的）网格细胞构成了粗糙的标尺（右下的稀疏网格）。

网格细胞共同形成了内部坐标图，凭借于此，动物可从一个位置导航到另一个位置。网格细胞与位置细胞同其他类型的细胞协同工作，如头部方向细胞和速度细胞。该导航系统还集成了来自感官的信息，结合环境信息一起校准内部地图。大脑中的这整套导航系统能够让我们平稳圆滑地完成导航任务。

虽然我们已经对这个迷人的大脑系统有了很多了解，但它的很多方面仍是未知的。例如：注意环境中或记忆中的线索会如何影响导航系统？动物在导航时，自身的体积是如何被计入的？及在一个患病的大脑中，导航系统会发生怎样的变化？比如阿尔茨海默病导致的内嗅皮层细胞死亡，从而丧失导航能力。

另一个令人兴奋的问题是，动物和外部物体之间的距离和方向是如何在内嗅皮层中编码的，以及这些细胞是否也能编码像足球比赛中的球一样移动的物体[6]。如果你想成为脑科学家，那这些具有挑战性的重要问题可能会出现在你的科学之旅中。

年轻的朋友们，你们应该知道，没人会知道长大之后的生活什么样。我相信，重要的是要保持你对事物的好奇心，无论是现在还是成年之后，找到你的热爱，找到你那些让你感到激情和活力的事物。热爱才是问题的关键——你可能热爱的是数学、物理、舞蹈、写作或其他任何东西。你应该始终遵从这个内在的驱动力，并围绕你的优势和热爱来建立你的生活。这才是生活的最优解。

很多人会告诉你该做什么，以及为什么要这样做——因为这样你就可以赚钱，或者出名，或者你可以获得诺贝尔奖……但不要听他们的。走你觉得适合你的道路。它可能是任何让你充实的东西，你喜欢的东西，你能掌握的东西。对于我来说，我对事物非常好奇，理解事物对我来说非常重要。当我理解了一些我以前不理解的东西时，就会非常快乐——这是我的核心动力。

最后，作为一个获得诺贝尔奖的女性，我必须强调的是，当你找到你所热爱的事物时，你的性别并不重要。我总是认为自己就是一个人，当我成为一名科学家时——我就是一名科学家。对于我是一个女性的事实我并没有想太多。我认为自己是一个非常幸运的科学家，工作非常努力，而且有很棒的合作者。这最终让我赢得了诺贝尔奖。

虽然对于追求来说，性别无关紧要，但我们都应该意识到，在一些特定的环境中，人们确实试图把女性推到一边。在这些环境中，我们所有人，不论男性还是女性，都应该强烈支持女性或其他少数群体。

致谢：

本文的采访和部分写作由以色列理工学院Grand Technion Energy Program毕业生Noa Segev完成。同时感谢 Yoram Burak 教授的评述。

审稿人：

以色列，KIRIAT BIALEK，ORT DAFNA高中，14-15岁。

该班的学生学习物理、生物学，数学和计算机科学。

参考文献：