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大脑中的GPS
撰文 梅-布里特·莫泽(May-Britt Moser)爱德华·莫泽(Edvard I Moser)
翻译 吴好好
来源《光明日报》( 2016年01月30日 08版)
海马体的信号传递:位于内嗅皮层的网格细胞将关于动物运动的方向和距离的信息,通过不同的神经通路,传递到海马体中的几个不同区域(齿状回、CA3和CA1),由此产生的大脑认知地图可以帮助动物更好规划未来的“旅程”。
海马体(位置细胞所在区域)
随着全球定位系统GPS的出现,我们开车寻路、驾驶飞机,甚至行走在城市的大街小巷,许多习惯都发生了改变。然而在GPS出现之前,我们又靠什么辨识方向呢?最近的研究表明,哺乳类动物的大脑中竟然存在与GPS类似的精密系统,在错综复杂的环境中为我们指引方向。2014年诺贝尔生理或医学奖得主、挪威科学家梅-布里特·莫泽和爱德华·莫泽将为我们深度解读。
A.大脑如何为我们导航?
创伤、疾病受到损伤造成功能障碍时,我们才会意识到大脑里这个与我们密不可分却常常被忽视的导航系统竟是如此重要。
如同手机和汽车里使用的GPS系统,大脑也是靠采集个体运动的位置和时间等多方面的信息并加以整合计算,用以判断我们身在何方,又将去向何处。通常情况下,进行这样的运算对于大脑来说并不费力,甚至整个过程在我们不知不觉中就完成了。只有在迷路,或者神经系统因为获取自己所处位置的正确信息以及确定下一步行动的具体方向,对每一个个体的生存都至关重要。如果没有大脑里的导航系统,所有动物包括人类将无法猎取食物,繁衍生息。那么毫无疑问,个体甚至整个种族将会因此灭亡。
和其他动物比起来,哺乳类动物的导航系统尤为精确和复杂。比起人类多达上百亿的神经细胞,常常作为实验动物模型的秀丽隐杆线虫,仅有302个神经细胞。这种线虫的行动仅仅是追寻着某种分子的浓度变化,单纯依靠环境中的嗅觉信号来判断方向。
而对于神经系统更为复杂的动物,像是沙漠里的蚂蚁和蜜蜂,则拥有更多导航手段。其中一种与GPS相似的常用方法叫作路径整合,神经细胞通过实时监测动物相对于初始位置的运动方向和速度,并加以计算,获得当前所在的位置。通过这种方法,动物可以完全不依赖路标等外界因素,仅靠自身的神经系统就可以导航。对于脊椎动物,特别是哺乳动物,用于辨识方向的方法在此基础上又进化地更为先进。