■本報記者 甘曉

一條走過千百遍的路，還是難以辨識。如果你是“路癡”，迷路可能是日常生活的一部分。大腦到底靠什么“認路”？

1月18日，陸軍軍醫(yī)大學新橋醫(yī)院神經(jīng)外科教授張生家團隊在《細胞研究》在線刊登論文，揭示大腦軀體感覺皮層中存在一套空間導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)空間方位感知。

這是在2014年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎得主所發(fā)現(xiàn)的海馬—內(nèi)嗅皮層介導(dǎo)的經(jīng)典空間定位系統(tǒng)之外，科學家發(fā)現(xiàn)的另一套全新的、完整的“大腦GPS”。

從“假說”到諾獎

大腦的空間導(dǎo)航系統(tǒng)是人類以及所有其它動物在長期進化中演變而來的高級偵察系統(tǒng)。這一系統(tǒng)如何幫助大腦感知外部空間世界，一直以來都是哲學家和科學家所關(guān)注的焦點。

張生家介紹，海馬體一直被科學家視為研究記憶和認知的核心腦區(qū)。1948年，美國加州大學伯克利分校教授愛德華·托爾曼提出“認知地圖”假說，即在過去經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，頭腦中會產(chǎn)生類似于地圖的模型，但其對應(yīng)的神經(jīng)基質(zhì)一直未能揭示。

1971年，英國倫敦大學學院教授約翰·奧基夫在海馬體中觀察到“位置細胞”的存在——自由活動的大鼠在到達某些特定位置時，會“點亮”這些神經(jīng)元。

2005年，挪威科技大學教授邁—布里特·莫澤和愛德華·莫澤夫婦在位于海馬體的“內(nèi)嗅皮層”中發(fā)現(xiàn)了“網(wǎng)格細胞”，類似于空間坐標系的機制。莫澤夫婦與約翰·奧基夫一起，因發(fā)現(xiàn)大腦空間導(dǎo)航系統(tǒng)分享2014年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

2008年起，張生家來到莫澤夫婦實驗室工作，主要從事體內(nèi)電生理方面的研究。

臨床研究提供新線索

近年來，張生家團隊對已發(fā)表的臨床研究進行分析時發(fā)現(xiàn)了新線索?！芭R床研究發(fā)現(xiàn)，病人在海馬—內(nèi)嗅皮層受損后，空間導(dǎo)航能力仍然存在，這說明其他腦區(qū)可能也有導(dǎo)航功能，大腦中可能存在一個尚未發(fā)現(xiàn)的GPS?！闭撐牡谝蛔髡啐垥躁柛嬖V《中國科學報》。

同時，臨床研究還為找到另一套大腦GPS提供了方向。研究人員看到，大腦另一個區(qū)域“軀體感覺皮層”嚴重受損的病人，對空間方位的感知能力急劇下降。這說明，軀體感覺皮層中可能存在空間方位感知的新功能。

于是，他們將目標鎖定在軀體感覺皮層。

在最新發(fā)表的論文中，研究團隊首次系統(tǒng)地記錄和分析了軀體感覺皮層層狀結(jié)構(gòu)中單個神經(jīng)元的空間特征放電活動。龍曉陽介紹，研究中采用的“自由運動多通道電生理記錄技術(shù)及神經(jīng)建模與計算”是該研究的特色和亮點，具有一定難度。

研究發(fā)現(xiàn)，類似于從前在海馬—內(nèi)嗅皮層中發(fā)現(xiàn)的各類定位細胞，軀體感覺皮層中也存在繪制所處具體地點的“位置細胞”、類似于大腦里指南針的“頭方向細胞”、負責環(huán)境邊緣感應(yīng)和距離推算的“邊界細胞”、相當于空間坐標系的“網(wǎng)格細胞”。

諸多未知仍存

張生家表示，軀體感覺皮層傳統(tǒng)上具有編碼觸覺、痛覺、溫度和本體感受等功能，本研究結(jié)果證實了其感知空間方位的新功能，這拓展了我們對軀體感覺皮層的認識。除此之外，研究還解釋了中風病人軀體感覺皮層受損后出現(xiàn)空間記憶喪失的原因。

研究人員指出，有關(guān)大腦空間導(dǎo)航細胞這一領(lǐng)域的科學研究仍然存在許多未解之謎。例如，海馬體和軀體感覺皮層之間只有很稀疏的連接，為什么大腦需要兩個空間導(dǎo)航系統(tǒng)？二者是什么關(guān)系？什么樣的分子細胞機制觸發(fā)了軀體感覺皮層的導(dǎo)航編碼？它能否為基于深度學習的人工智能提供計算算法和架構(gòu)？

“因此，這一領(lǐng)域的未來研究方向應(yīng)該有以下3個方面?！睆埳抑赋?，首先，解析這兩套大腦空間定位系統(tǒng)之間的相互作用關(guān)系。第二，以大腦空間定位系統(tǒng)為突破口，為深入研究神經(jīng)退行性疾病、神經(jīng)發(fā)育性疾病等治療提供新依據(jù)。第三，模擬哺乳動物的空間導(dǎo)航算法，開發(fā)更為穩(wěn)定、可靠和智能的類腦導(dǎo)航系統(tǒng)。

據(jù)了解，目前張生家團隊正在利用分子生物學、工程病毒學、光遺傳學等多學科交叉手段，從分子細胞、神經(jīng)環(huán)路以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水平來系統(tǒng)解析與情感、學習和記憶等一系列高級認知行為相關(guān)的神經(jīng)環(huán)路與計算編碼。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41422-020-00448-8