John O'Keefe

May-Britt Moser

Edvard I. Moser

北京時間10月6日下午5點30分，2014年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎揭曉，美國及挪威三位科學家John O'Keefe、May-Britt Moser和Edvard I. Moser獲獎。獲獎理由是“發(fā)現(xiàn)構成大腦定位系統(tǒng)的細胞”。 

John O'Keefe，1939年出生于美國紐約，擁有美國和英國雙重國籍。1967年他從加拿大麥吉爾大學獲得生理心理學博士學位。之后，他進入倫敦大學學院做博后。1987年被UCL任命為認知神經(jīng)學教授。目前仍任職于UCL。

May-Britt Moser，1963年出生于挪威福斯納瓦格，挪威公民。曾在挪威奧斯陸大學學習心理學。1995年獲得神經(jīng)生理學博士學位。2000年被挪威科技大學任命為神經(jīng)學教授。目前為挪威特隆赫姆神經(jīng)計算中心主任。

Edvard I. Moser，1962年出生于挪威奧勒松，挪威公民。1995年從挪威奧斯陸大學獲得神經(jīng)生理學博士學位。Edvard I. Moser和May-Britt Moser為夫妻。二人曾共同在愛丁堡大學做博后。1996年他加入挪威科技大學，1998年成為教授。目前為挪威特隆赫姆Kavli系統(tǒng)神經(jīng)學研究所主任。

我們?nèi)绾沃�道自己身處何地？我們�(nèi)绾握业綇腁地到B地去的路線？我們又如何將這樣的信息記下來以便于我們下次重走原路時能立馬回想起路線的？今年的諾獎獲得者發(fā)現(xiàn)人類大腦內(nèi)存在著一種定位系統(tǒng)，就像是一個“內(nèi)部GPS（全球定位系統(tǒng)）”一般為我們確定空間方向，同時他們也從細胞水平上闡釋了這種高級認知功能的原理。

1971年，John O´Keefe發(fā)現(xiàn)了這種定位系統(tǒng)的首個組成。他注意到當大鼠身處空間的某個特定位置時，其大腦海馬體區(qū)域內(nèi)有一種神經(jīng)細胞會一直處于活躍狀態(tài)，而當大鼠身處其他位置，其他神經(jīng)細胞則會變得活躍。O´Keefe得出結論：這些“位置細胞”可以構成一幅空間地圖。

30多年后的2005年，May‐Britt和Edvard Moser發(fā)現(xiàn)了大腦定位系統(tǒng)的另一種關鍵組成。他們確定了另一種神經(jīng)細胞并將其稱為“網(wǎng)格細胞”，該細胞能夠構建出坐標系，從而便于精確定位和線路查找。他們的這項后續(xù)研究展現(xiàn)了位置細胞和網(wǎng)格細胞如何讓定位和導航成為可能。

John O´Keefe，May‐Britt Moser和Edvard Moser的這項發(fā)現(xiàn)解決了一個困擾哲學家和科學家數(shù)個世紀的問題——大腦是怎么構造出一幅描述我們所處環(huán)境的地圖，我們又是如何在復雜環(huán)境中找到航行線路的？

我們?nèi)绾胃兄�環(huán)境？

方位感知和導航能力是我們存在的基礎。方位感知讓我們對環(huán)境中的位置有了概念。而在導航中，這種概念又與以運動和方位掌握為基礎的距離感產(chǎn)生相互聯(lián)系。

有關方位和導航的疑問困擾了哲學家和科學家很長時間。200多年前，德國哲學家康德就認為，某些精神上的能力是作為一種先驗知識，獨立于經(jīng)驗而存在的。他覺得空間概念是思想的一種內(nèi)建原理，世界一直并且一定是通過這種原理被我們所感知的。隨著20世紀中期行為生理學的出現(xiàn)，這些疑問可以通過實驗得到解決。當Edward Tolman研究在迷宮中移動的大鼠時，他發(fā)現(xiàn)它們可以學會導航，他猜想大鼠的大腦一定是形成了一幅“認知地圖”從而找到走出迷宮的路。但是問題仍舊——這樣的地圖怎么會存在大腦中的？

John O´Keefe和空間位置

John O´Keefe曾著迷于研究大腦如何控制行為的問題。在上個世紀60年代后期，他決定用神經(jīng)生理學方法來解決這個問題。他嘗試通過儀器捕捉在某個房間里自由移動的大鼠其大腦海馬體中的個別神經(jīng)細胞發(fā)出的信號，他注意到當大鼠處在某一特殊位置時，有一種神經(jīng)細胞會變得活躍。他通過實驗發(fā)現(xiàn)這種“位置細胞”并不只是從視覺上記住，而且會構造出一幅所處環(huán)境的內(nèi)在地圖。O´Keefe得出結論認為：在處于不同環(huán)境中被激活的這些位置細胞的共同作用下，海馬體可以構造出很多地圖。因此，大腦對環(huán)境的記憶通過位置細胞活動的特定組合的方式儲存在海馬體中。

May-Britt和Edvard Moser發(fā)現(xiàn)了協(xié)調(diào)機制

May-Britt和Edvard Moser在繪制大鼠腦海馬區(qū)的連接時，在鄰近的內(nèi)嗅皮層區(qū)域發(fā)現(xiàn)了驚人的活動模式。在這個區(qū)域，當大鼠穿過六邊形網(wǎng)格里的多個地點時，特定的細胞被激活（圖2）。每個這樣的細胞被特定的空間模式激活，這樣的“網(wǎng)格細胞”構成了一個協(xié)調(diào)系統(tǒng)，促發(fā)空間運動。加上內(nèi)嗅皮層區(qū)域其他能夠識別頭部方向和房間邊界的細胞一起，它們在海馬區(qū)形成了回路。這一回路在大腦中構成了一個廣泛的定位系統(tǒng)，一個內(nèi)部的GPS。

人類大腦中的地圖

近來，腦成像系統(tǒng)的進展，以及對進行神經(jīng)外科手術病人的研究，顯示了網(wǎng)格細胞也存在于人腦中。在早老性癡呆病人身上，海馬區(qū)和內(nèi)嗅皮層經(jīng)常早期就受到感染，這些患者經(jīng)常迷路，無法識別周圍環(huán)境。因此，對大腦定位系統(tǒng)的研究有助于我們理解病患空間記憶喪失背后的機制。

發(fā)現(xiàn)大腦定位系統(tǒng)對于我們理解特能化細胞群工作機制來說，是一個范式轉變。它為理解其他認知過程，比如記憶、思考、計劃等，開辟了新的途徑。