本文来自微信民众号：原理（ID：principia1687），原题目《5个零件，定位你的空间坐标》，作者：Takeko，题图来自：影戏《移动迷宫》

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日本科学家曾做过一个有趣的实验，让三组介入实验的队员穿过都市，从一地前往另一地。三组队员都只能徒步行走，但划分使用差别的导航方式。前两组人划分获得了GPS和纸质舆图，第三组人只是被见告了他们应该选择的门路，而不允许携带任何辅助工具。

这项实验的部门效果在意料之中。好比，在徒步竣事后，请队员复述出选择的路径，或者画出走过的门路图时，使用GPS的小组显示得最差——他们只是更专注于机械地随着导航走路。但另有一些效果却有些出乎意料。实验显示，使用GPS的小组效果走了最远的路，停下的次数也最多；而只被见告门路，之后只能靠自己的小组，竟然在这些方面显示得最好。

方位感和导航能力是我们生计的基础，它们是空间感知和定位的重要部门。方位感让人感知环境中的位置。方位感又会与距离感相联系，在导航过程中施展重要作用。事实上，已经有许多证据告诉我们，我们的大脑中有一个内置的GPS，而它的效果，可能比你想象的还要好。

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最早有关“大脑舆图”的想法来自美国心理学家托尔曼（Edward Tolman）。在托尔曼之前，主流学术界以为，实验中的大鼠会通过影象行进门路中的延续刺激来寻找准确的路，好比在学习走迷宫时，大鼠可能会记着从起点最先的一连串拐弯的顺序等等。

但托尔曼考察到了一个稀奇的细节。在迷宫实验中，学习事后的大鼠也会最先走捷径，或是试着改道前进。若是仅仅是通过记着在那里左拐，在那里右拐，这些改道和捷径应该不会泛起。

20世纪中叶，托尔曼提出，大鼠实在在大脑中可以绘制出一张整体的舆图，反映出它所在环境的位置结构。但在那时，托尔曼的想法一直饱受争议。有一部门原因是，这样的结论主要来自对动物行为的考察，在这种“宏观”层面上，动物的行为原本就可以有差别的解读方式。要证实“大脑舆图”的存在，还需要更精致的手段和实验。

20世纪中后期，微电极实验手艺的突破，让科学家可以在动物完成某项义务的同时，记录下它们脑中神经细胞的电心理信号，也就是说，科学家可以直接窥探到神经细胞的事情。

自此，神经生物学家逐步展现出了大脑中一个异常精致的空间定位系统。这个系统的周详水平甚至远超出舆图的观点，而更像是一个智能化的GPS。这个GPS包罗种种“零件”，它有网格坐标和定点，有界限提醒，甚至自带“速率计”和“指南针”。

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零件一：位置定点 

 位置细胞激活示意图（非真实实验效果），彩色区域代表细胞活跃的位置。| 图片设计：雯雯；素材参考：nobelprize.org

1971年，英国神经科学家奥基夫（John O'Keefe）借助神经实验手艺的手段，发现了大脑定位系统的第一个零部件。

海马是大脑中一个形似海洋生物海马的结构。我们很早就知道，海马与影象功效有关。奥基夫在实验中发现，当大鼠到达实验盒的某个地方时，海马中的某些细胞总是会被激活。随着位置的转变，被激活的细胞也会响应地改变。若是将这些细胞激活的模式整合起来，就可以轻易地反推出大鼠在任何一个时间点的确切位置。

奥基夫因此提出了“位置细胞”的观点。他证实，这些位置细胞不仅仅是单纯地挂号视觉输入的信息，它们与影象联系在一起，构建起了环境的脑内舆图。他的研究也打开了一扇大门，成为“大脑GPS”最初的基础。

零件二：“指南针” 

 头部偏向细胞激活示意图（非真实实验效果），彩色区域代表细胞活跃的位置。| 图片设计：雯雯

20世纪80到90年代，美国科学家兰克（James Ranck）等人发现了大脑导航的另一个部件，就是头部偏向细胞。后续的更多研究解释，头部偏向细胞在大脑的多个区域都存在。

从许多方面来看，头部偏向细胞很像“指南针”，但它们指示的并非东南西北，而是动物头部的偏向。这些细胞与内耳的平衡器官相关联，会在大鼠转头时被激活。只要考察它们的流动，就能知道大鼠在任何一个时刻（相对于环境）的头部偏向。

这种“指南针”的事情与闭眼与否，或者环境是明亮的照样漆黑的完全无关。有意思的是，在实验中，若是频频开关灯，或者刻意频仍地让大鼠变换环境，大鼠多次迷路，它的整个头部偏向系统会暂时性地溃逃。许多迹象解释，与位置细胞一样，头部偏向细胞关联着影象。纵然在大鼠睡觉时，这些细胞仍然是活跃的。

零件三：网格系统 

 网格细胞激活示意图（非真实实验效果），彩色区域代表细胞活跃的位置。| 图片设计：雯雯；素材参考：nobelprize.org

发现大脑GPS中一个基础而要害的组成部门的是来自两位挪威科学家。2005年，梅-布里特（May-Britt Moser）和爱德华（Edvard Moser）发现了这种网格细胞。

在最初的实验中，研究团队考察到，当大鼠走到迷宫中的某些位置时，内嗅皮质的许多神经细胞会被激活。但它们的行为又与位置细胞略有差别——这些内嗅皮质的细胞并不是只对单一的空间位置有反映，而是对许多位置都市发生反映。

随后，团队决定将小鼠的流动面积扩大，在更大的局限中，他们发现这些细胞实在会发生一个“坐标系”，或者叫“网格”。若是把网格细胞被激活的位置描绘出来，它们连起来就像是一个六边形，当大鼠移动到六边形的极点时，网格细胞就会被激活，让大脑可以正确定位并寻找门路。

随后的研究显示，网格细胞的庞大性超乎想象。方位感是由多个自力的网格细胞舆图组成的，每个舆图都有自己的义务和网格巨细，随着空间巨细的差别，网格的“分辨率”也会随之发生差异。它们正是GPS中极为要害的一部门。

零件四：界限提醒 

 界限细胞激活示意图（非真实实验效果），彩色区域代表细胞活跃的位置。| 图片设计：雯雯

若是你的车上装着导航系统，你可能还会用到另一项异常适用的功效。好比在倒车的时刻，它会发出提醒，告诉你距离障碍物另有多远。

事实上，我们的大脑早就“发现”了类似的功效。有一小群细胞会告诉我们地形的界限在那里，无论是一面墙，照样一座山，或者（对实验室中的大鼠来说）是鼠笼的笼壁。

2008年，梅-布里特和爱德华的团队发现了大脑中的“界限细胞”，一旦动物靠近界限，这些细胞就会被激活，它们似乎可以盘算动物与界限之间的距离。除此之外，网格细胞也会与之互助，通过界限建立起“参考点”，它们又会和位置细胞形成回路，配合组成了一个大脑的综合定位系统。

正是由于有关“大脑GPS”的一系列要害发现，2014年，在梅-布里特和爱德华发现网格细胞后不到十年，他们就与奥基夫配合被授予诺贝尔心理学或医学奖。

零件五：“速率计” 

 速率细胞实验示意图（非真实实验场景）。| 图片设计：雯雯

然而，这还不是故事的所有。2015年，两位挪威的诺奖得主进一步展现了大脑GPS的另一种附加功效——“速率计”。

 图片泉源：Flintstone

若是你看过《漂亮原始人》动画片，说不定会对主角弗雷德的那辆需要靠脚走路的“汽车”有印象。在实验室里，研究人员为大鼠造了一辆类似的“车”。在传送带上，“车”可以被设置成以种种速率运行，让大鼠不得不以相同的速率向着传送带另一端的巧克力奔跑。

在对大量神经细胞举行丈量后，团队找到了“速率细胞”，它们会凭据大鼠的奔跑速率发出信号。这些细胞的流动与位置等因素都无关，但大鼠奔跑速率越快，细胞的放电频率就越高。速率细胞还能与头部偏向细胞配合，为网格细胞提供种种需要的信息。

只管人们对大脑的空间感知已经有了这些相对明确的熟悉，但这绝对不是“大脑GPS”的所有。动物的方位感和导航应该是种异常古老的能力，履历了恒久的演化。梅-布里特和爱德华信赖，另有更多“零件”及其相互作用的机制，等待着我们挖掘。有关大脑GPS的新研究将在未来数十年内不停为我们带来惊人的新发现。

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到目前为止，虽然大脑GPS的细胞大多是在大鼠（或小鼠）身上直接发现的，但从进化的角度来看，海马体等结构都是相当古老的部门，是人类与大鼠共有的。因此，在大鼠身上发现和我们人类一样精巧庞大的“GPS”实在一点儿也不新鲜。

近期利用脑成像手艺的研究，以及对接受神经外科手术的病人的研究，都提供了证据证实，人脑中也存在着位置细胞和网格细胞。好比，有研究显示，一位患者在手术切除大脑海马（双侧）和周围部门大脑皮层后，同时失去了他的位置和网格细胞。他在手术后不仅认不出医院的护理人员，也完全找不到去茅厕的路。

同时，在阿尔兹海默病的患者中，海马体和内嗅皮质在早期经常受到影响，这些患者经常迷路，无法识别环境。因此，对大脑定位系统的领会，也有望对这类疾病的治疗带来转机。

参考泉源：

卡娅·努尔英恩，《大脑帝国》，中信出书团体，2019年1月

https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2014/press-release/

https://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?Unit=featurearticles&id=2827

本文来自微信民众号：原理（ID：principia1687），作者：Takeko