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谢谢脑细胞让我知道该去哪儿

转载 2017-11-03 11:20:37
标签:脑细胞

科幻世界画刊.小牛顿杂志订阅链接:http://zazhi.com/z1425048

如何从A到B?

如果我问你,怎么从家里出发去附近的超市,你可能不假思索就能回答上来。但你知不知道,我们之所以能如此轻而易举地知道自己在哪里、要去哪里、怎么去,还要感谢大脑中的几种细胞为我们导航。我们大脑中的导航系统包含多种细胞,不过,这些细胞的功能更偏向于让我们感知自己的方位,知道自己身在何处。

身在何处?比如“位置细胞”(place cell),一种位于大脑海马中的锥体神经元,由英国神经学家John O'Keefe于1971年率先在小鼠体内发现。当小鼠经过特定的位置时,其海马内的一部分细胞处于激活状态;而当小鼠经过其他位置时,另一部分脑细胞开始活跃(如下图)。由此,人们意识到小鼠脑中不同的位置细胞对应着其活动区域中不同的位置。小鼠经过管道时,经过不同的地点,脑内对应的神经元被激活2005年,来自挪威的May-Britt Moser和Edvard Moser夫妇又发现了另一种与导航有关的脑细胞——位于海马旁边的内嗅皮层中的“网格细胞”(grid cell)。在实验中,Moser夫妇让小鼠在一个盒子中来回跑动,当小鼠经过某些位置时,网格信号就会被激活。随着时间的推移,最终发现网格信号被激活的地点渐渐分别聚集成一小团,而这些小团彼此之间的位置关系十分特殊:形成了等边三角形(如下图)。就这样,小鼠通过网格细胞在大脑中形成了坐标系,使精确定位和路径导航成为了可能。顺便一提,2014年的诺贝尔生理学或医学奖正是授予了上述的三人,虽然两组研究前后跨度超过30年,却不妨碍它们一起为人们揭示了大脑定位导航的秘密。除此之外,我们脑中还有一种“头部方向细胞”(head direction cell),当动物的头部朝向某一特定方向时,对应的头部方向细胞活跃。比如,当头部朝北时,一组头部方向被激活;当头部转向南面时,则是另一组头部方向细胞被激活。并且,这种细胞存在于多个脑区内,与之前介绍的位置细胞等协同作用,一个对位置更敏感,一个对方向更敏感。当然啦,我们在定位自己的时候,除了这些脑细胞,还会依靠视觉、听觉等感官信息进行综合处理。

要去哪里?今天要着重介绍的却是另外一种细胞,“矢量细胞”(vector cell),它能告诉我们要去哪里。矢量细胞也存在于大脑中的海马里,和“位置细胞”与部分”头部方向细胞“是邻居呢!——发现矢量细胞的是以色列魏茨曼科学研究所的Nachum Ulanovsky及其研究团队,并于1月12日将结果发表在Science。对于在已被科学家们研究得如此充分的海马体中又发现了新的细胞,Ulanovsky本人也感到十分惊讶!在之前的脑部导航系统实验中,小鼠是主要的实验对象,但这次的实验对象换成了埃及果蝠,一种生活在热带的以水果为食的大型蝙蝠。好处之一是蝙蝠的飞行路线可以在房间的中心区域,而不像小鼠总是贴着墙根走。此外,蝙蝠的体型较大,易于在其头部装上实验设备。实验中,研究人员将蝙蝠在一间挂有香蕉(果蝠的最爱!)的大房间中释放,在飞向香蕉之前,果蝠不停地绕圈盘旋。由于香蕉位于房间中心处,果蝠可能的行进航线覆盖360°,这也方便研究人员确认矢量细胞:无论果蝠从哪个方向飞向香蕉,都会有一组细胞被激活,这组细胞就是我们所找的矢量细胞。实验过程中研究人员监测了三只果蝠脑中的309个神经元,其中1/3的神经元为普通的位置细胞,当果蝠飞至某特定位置时活跃。但有58个神经元在对准目标时被激活;49个神经元在距离目标较近(如2米之内)时被激活;有24个神经元同时对目标角度和距离敏感。此后,研究人员还模拟了野外的觅食环境,对香蕉进行了单侧遮挡并阻隔气味。结果发现,在看不见香蕉的一侧,果蝠的矢量细胞依然发挥作用,这说明该细胞的作用机制与记忆功能的联系更为紧密。对于这项新发现,2014年的诺奖得主,也是网格细胞的发现者Edvard Moser表示,这提醒我们要重新思考大脑的导航系统,以及各种细胞究竟是怎样联合工作的。

此外,提到海马等脑区,你也许想到了现在常说的阿尔兹海默症。没错,这种疾病与大脑皮层和海马的萎缩有关,这也解释了,为什么很多阿尔兹海默症患者在失去记忆的同时,也非常容易迷路,并难以辨识周围环境。


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