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| 本文作者： 新智元 | 2015-12-30 10:32 |
【編者按】本文來(lái)源：Scientific American，作者M(jìn)ay-Britt Moser和Edvard I. Moser，由王婉婷、張巨巖原創(chuàng)編譯。原標(biāo)題為《大腦GPS：尋路神經(jīng)系統(tǒng)如何導(dǎo)航？》
May-Britt Moser和Edvard I. Moser背景介紹：
May-Britt Moser和Edvard I. Moser在位于挪威特隆赫姆的挪威科技大學(xué)擔(dān)任心理學(xué)系教授。他們?cè)?007年共同創(chuàng)立了卡夫利科系統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)研究所（Kavli Institute for Systems Neuroscience），2013年共同創(chuàng)立了神經(jīng)計(jì)算中心，這兩個(gè)機(jī)構(gòu)都在挪威科技大學(xué)內(nèi)。由于發(fā)現(xiàn)了大腦的定位系統(tǒng)，他們與倫敦大學(xué)學(xué)院的John O’Keefe共同分享了諾貝爾生理和醫(yī)療獎(jiǎng)。
我們駕駛汽車或是飛機(jī)的能力——甚至是在城市街道間穿行的能力——已經(jīng)完全被全球定位系統(tǒng)（GPS）的發(fā)明所改變。
在擁有GPS之前，我們是怎樣導(dǎo)航的呢？近來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，哺乳動(dòng)物大腦中有一種精巧到讓人驚嘆的、像是GPS一樣的跟蹤系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)引導(dǎo)著我們從一個(gè)地點(diǎn)前往下一個(gè)地點(diǎn)。
就像我們手機(jī)和汽車?yán)锏腉PS一樣，我們的大腦也會(huì)通過(guò)整合多種與位置和時(shí)間流逝有關(guān)的信號(hào)來(lái)估算我們現(xiàn)在在哪里、又將要往哪里去。大腦通常用最小的努力來(lái)完成這些計(jì)算，所以我們幾乎意識(shí)不到計(jì)算的存在。只有當(dāng)我們迷路了、或者當(dāng)我們的導(dǎo)航技能因?yàn)槭軅蚴巧窠?jīng)退行性疾病而有了損傷，我們才會(huì)察覺到，這種繪制地圖然后導(dǎo)航的系統(tǒng)對(duì)于我們的生存來(lái)說(shuō)是多么重要。
分辨出我們?cè)谀睦镆约拔覀冃枰ツ睦锏哪芰?duì)于生存來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。沒有這種能力的話，我們——與所有其他的動(dòng)物一樣——將無(wú)法找到食物，也無(wú)法繁衍后代。個(gè)體，以及整個(gè)種族，都將滅絕。
與其它動(dòng)物相比，哺乳動(dòng)物的導(dǎo)航系統(tǒng)尤為精密。簡(jiǎn)單的線蟲Caenorhabditis elegans只有302個(gè)神經(jīng)元，幾乎僅僅通過(guò)嗅覺信號(hào)來(lái)導(dǎo)航，沿著氣味濃度梯度上升或是下降的路線移動(dòng)。
神經(jīng)系統(tǒng)更復(fù)雜的動(dòng)物，比如沙漠蟻和蜜蜂，會(huì)利用更多策略來(lái)找到路線。其中一種方法叫做路徑整合（path integration），一種像GPS一樣的機(jī)制：
神經(jīng)元根據(jù)對(duì)相較于出發(fā)點(diǎn)的方向和移動(dòng)速度的監(jiān)控，進(jìn)行位置計(jì)算——這種任務(wù)的完成無(wú)需參照物理地標(biāo)之類的外界線索。在脊椎動(dòng)物，特別是哺乳動(dòng)物中，這讓個(gè)體在環(huán)境中定位自身位置的能力變得更為復(fù)雜。
哺乳動(dòng)物對(duì)于形成神經(jīng)地圖的能力——一群一群的神經(jīng)細(xì)胞以能夠反映出周圍環(huán)境和環(huán)境中自身位置的形式放電（fire），所形成的腦電信號(hào)的模式——非常依賴，這一點(diǎn)超過(guò)了任何其它種類的動(dòng)物。大部分人認(rèn)為這種心理地圖（mental maps）的形成發(fā)生在皮層（cortex），這種大腦的皺巴巴的上層組織在進(jìn)化中很晚才發(fā)育出來(lái)。
在過(guò)去的幾十年間，研究者們僅僅對(duì)于當(dāng)一個(gè)動(dòng)物移動(dòng)時(shí)大腦如何形成并更新這些地圖有了深度的了解。最近的研究主要在鼠類身上完成，揭示了導(dǎo)航系統(tǒng)包括一些特化的細(xì)胞類型，它們?cè)诔掷m(xù)地計(jì)算著個(gè)體的位置、移動(dòng)距離、移動(dòng)方向、以及移動(dòng)速度。這些不同的細(xì)胞共同形成了一幅本地位置的動(dòng)態(tài)地圖，不僅在當(dāng)下工作著，也能被存為記憶留待日后調(diào)用。
對(duì)于大腦的空間地圖的研究由加利福尼亞大學(xué)伯克利分校心理學(xué)教授Edward C. Tolman率先展開，1918年到1954年間他為此做了許多工作。在Tolman之前，實(shí)驗(yàn)室中對(duì)于大鼠的實(shí)驗(yàn)似乎暗示了動(dòng)物通過(guò)對(duì)移動(dòng)路徑上的連續(xù)刺激作出反應(yīng)——以及進(jìn)行記憶——來(lái)找到要走的路。比如，在學(xué)習(xí)穿越一個(gè)迷宮時(shí)，它們被認(rèn)為回憶了自己從迷宮入口走到出口的幾次旅程。然而，這個(gè)想法沒有考慮到動(dòng)物們可能會(huì)可視化一張迷宮的整體地圖來(lái)規(guī)劃最佳路線。
Tolman從根本上粉碎了當(dāng)時(shí)流行的觀點(diǎn)。他觀察到老鼠會(huì)走捷徑或是走彎路，在它們只走過(guò)一次迷宮的情況下，當(dāng)時(shí)的觀點(diǎn)并不能預(yù)期會(huì)發(fā)生這樣的行為。根據(jù)他的觀察，他提出了一個(gè)新設(shè)想：動(dòng)物們會(huì)形成對(duì)應(yīng)于外部世界中空間幾何的心理地圖；它們也會(huì)記錄下動(dòng)物們?cè)谀硞€(gè)地點(diǎn)經(jīng)歷過(guò)的事件的信息。
Tolman的這些想法在1930年左右的時(shí)候第一次提出，之后幾十年一直飽受爭(zhēng)議。對(duì)這個(gè)理論的接受進(jìn)展十分緩慢，一部分是因?yàn)樗兇馐腔谟^察實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的行為而得出的，而實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的行為可以用許多理由來(lái)解釋。這種對(duì)應(yīng)于外部環(huán)境的內(nèi)部地圖是否存在于動(dòng)物的大腦中，Tolman對(duì)此沒有方法或是工具來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。
直到大約40年后，在對(duì)于神經(jīng)活動(dòng)的研究中才發(fā)現(xiàn)了支持心理地圖的直接證據(jù)。1950年代微型電極的發(fā)展，使得監(jiān)控清醒動(dòng)物腦內(nèi)單個(gè)神經(jīng)元的電活動(dòng)成為可能。這些非常細(xì)小的電極讓研究者們?cè)趧?dòng)物們自由行動(dòng)時(shí)也可以確認(rèn)單個(gè)神經(jīng)元是否放電。一個(gè)細(xì)胞“放電”說(shuō)的是當(dāng)它引起了一個(gè)動(dòng)作電位——神經(jīng)細(xì)胞膜上電壓的短暫改變。動(dòng)作電位讓神經(jīng)元釋放神經(jīng)遞質(zhì)分子，以此將信號(hào)從一個(gè)神經(jīng)元傳遞到另一個(gè)神經(jīng)元。
倫敦大學(xué)學(xué)院的John O’Keefe用微型電極監(jiān)測(cè)了大鼠海馬體中的動(dòng)作電位。幾十年以來(lái)，海馬體因?yàn)閷?duì)于記憶功能的重要性而頗具聲名。在1971年，他報(bào)告了當(dāng)大鼠待在盒子里的某個(gè)位置，海馬體中的一些神經(jīng)元會(huì)放電——因此，他將這些神經(jīng)元命名為位置細(xì)胞。O’Keefe觀察到，不同的位置細(xì)胞在大鼠處于盒子的不同位置時(shí)放電，并且所有這些細(xì)胞的放電模式共同形成了盒子里的地圖。從電極中可以讀出多個(gè)位置細(xì)胞的共同活動(dòng)，以此判斷這個(gè)動(dòng)物在任意給定時(shí)間時(shí)所處的精確位置。1978年，O’Keefe和他的同事Lynn Nadel（現(xiàn)在任職于亞利桑那大學(xué)）猜測(cè)，這些位置細(xì)胞事實(shí)上就是Tolman提出的認(rèn)知地圖的組成部分之一。
位置細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)為探索大腦皮層最深層的部分——距離感覺皮層（接收來(lái)自感受器的信號(hào)）和運(yùn)動(dòng)皮層（發(fā)射用于啟動(dòng)或是控制運(yùn)動(dòng)的信號(hào)）最遠(yuǎn)的地方——打開了一扇窗。1960年代末期，當(dāng)O’Keefe開始他的研究時(shí)，對(duì)于神經(jīng)元什么時(shí)候啟動(dòng)或是關(guān)閉（switch on and off）的了解，很大程度上局限在被稱為初級(jí)感覺皮層（primary sensory cortices）的區(qū)域里，因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域的神經(jīng)活動(dòng)可以通過(guò)光、聲以及觸覺的感覺輸入進(jìn)行直接控制。
那個(gè)時(shí)代的神經(jīng)科學(xué)家們猜測(cè)，海馬體距離感知器官太遠(yuǎn)，無(wú)論通過(guò)什么方式來(lái)處理輸入信號(hào)，人類都難以從微型電極的記錄中解讀出來(lái)。在海馬體中發(fā)現(xiàn)能夠創(chuàng)建動(dòng)物所在地點(diǎn)實(shí)時(shí)環(huán)境地圖的神經(jīng)元，打破了這種猜測(cè)。
雖然這一發(fā)現(xiàn)非常驚人，并且意味著位置細(xì)胞在導(dǎo)航系統(tǒng)中占據(jù)一席之地，但是在它們被發(fā)現(xiàn)以后的幾十年間，始終沒有人知道它們到底扮演著什么樣的角色。位置細(xì)胞位于海馬體中一片叫做CA1的區(qū)域，這里是海馬體其他區(qū)域產(chǎn)生的信號(hào)傳導(dǎo)鏈（signaling chain）最后抵達(dá)的終點(diǎn)。有人假設(shè)，位置細(xì)胞接收了許多來(lái)自其他海馬體區(qū)域的與導(dǎo)航相關(guān)的關(guān)鍵計(jì)算結(jié)果。在2000年代早期，我們兩人決定進(jìn)一步探索這個(gè)想法——在我們?cè)谖挥谔芈『漳返呐餐萍即髮W(xué)中新建立的實(shí)驗(yàn)室里。這個(gè)追求最終帶來(lái)了巨大的發(fā)現(xiàn)。
與Menno Witter（現(xiàn)在任職于我們的研究所）以及一群非常有創(chuàng)造力的學(xué)生們一同合作，我們從破壞向位置細(xì)胞傳遞信息的神經(jīng)回路的一部分、然后使用微型電極來(lái)監(jiān)測(cè)大鼠海馬體中的位置細(xì)胞的活動(dòng)開始。我們預(yù)期這項(xiàng)研究將會(huì)證明這個(gè)回路對(duì)于位置細(xì)胞的良好運(yùn)作是非常重要的。讓我們意外的是，位于CA1區(qū)域這個(gè)回路終點(diǎn)的神經(jīng)元，當(dāng)動(dòng)物抵達(dá)特定位置時(shí)仍然會(huì)放電。
我們團(tuán)隊(duì)不得不總結(jié)，位置細(xì)胞無(wú)需依賴于海馬體回路來(lái)測(cè)量動(dòng)物的方位。于是我們的注意力轉(zhuǎn)向了我們唯一沒有干涉到的神經(jīng)通路：內(nèi)嗅皮質(zhì)（entorhinal cortex），一塊將周圍皮質(zhì)聯(lián)系在一起的連接區(qū)域，與CA1的直接連接。
2002年，仍然與Witter一起合作，我們?cè)趦?nèi)嗅皮質(zhì)中植入了微型電極，然后在動(dòng)物們完成與之前我們做的位置細(xì)胞研究中差不多的任務(wù)時(shí)記錄神經(jīng)電活動(dòng)。我們將微型電極安插在內(nèi)嗅皮質(zhì)中與位置細(xì)胞直接連接的區(qū)域。我們發(fā)現(xiàn)，許多內(nèi)嗅皮質(zhì)中的細(xì)胞會(huì)在動(dòng)物們處于特定位置時(shí)放電，與位置細(xì)胞的行為非常像。但與位置細(xì)胞不同的是，內(nèi)嗅皮質(zhì)中的單個(gè)細(xì)胞不只在大鼠處于圍場(chǎng)（enclosure）中某一個(gè)位置時(shí)才放電，而是在許多位置時(shí)都會(huì)放電。
這些細(xì)胞最讓人震驚的是它們放電的方式。它們的活動(dòng)模式一直到我們?cè)?005年擴(kuò)大了圍場(chǎng)大小后才變得明顯起來(lái)。將圍場(chǎng)擴(kuò)大到某個(gè)尺寸以后，我們發(fā)現(xiàn)，引起一個(gè)內(nèi)嗅細(xì)胞放電的多個(gè)位置形成了六邊形的六個(gè)頂點(diǎn)。這個(gè)內(nèi)嗅細(xì)胞——我們命名為網(wǎng)格細(xì)胞（grid cell）——在動(dòng)物經(jīng)過(guò)其中每個(gè)頂點(diǎn)時(shí)都會(huì)放電。
這些六邊形覆蓋了整個(gè)圍場(chǎng)，看上去像是形成了一個(gè)個(gè)分開的網(wǎng)格單元——與道路地圖上坐標(biāo)線形成的方形網(wǎng)格異曲同工。這樣的放電模式提出了一種可能性：網(wǎng)格細(xì)胞與位置細(xì)胞不同，提供的是關(guān)于距離和方向的信息，以此幫助動(dòng)物無(wú)須依賴于環(huán)境輸入、只憑借來(lái)自身體運(yùn)動(dòng)的內(nèi)部線索來(lái)追蹤自己的移動(dòng)軌跡。
當(dāng)我們檢查內(nèi)嗅皮質(zhì)不同位置的細(xì)胞的活動(dòng)時(shí)，網(wǎng)格的一些方面也有變化。在背側(cè)接近于頂端的區(qū)域，那里的細(xì)胞產(chǎn)生的圍場(chǎng)網(wǎng)格包含許多緊密排列的六邊形。六邊形的大小可以通過(guò)一系列步驟（或者說(shuō)模塊，modules）來(lái)放大——隨著你向內(nèi)嗅皮質(zhì)的下側(cè)，或者說(shuō)腹側(cè)，移動(dòng)。六邊形網(wǎng)格在每個(gè)模塊中都有特定的、與其他模塊中不同的距離（spacing）。
網(wǎng)格細(xì)胞的距離在每個(gè)連續(xù)模塊中的下移（moving downward）可以通過(guò)將前一個(gè)模塊中的細(xì)胞間距和大約為1.4的系數(shù)（準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)是2的平方根）相乘來(lái)決定。在位于內(nèi)嗅皮質(zhì)最頂端的模塊中，一只在六邊形網(wǎng)格的一個(gè)頂點(diǎn)上激活了網(wǎng)格細(xì)胞的大鼠，將會(huì)需要移動(dòng)30到35厘米才能抵達(dá)下一個(gè)相鄰的頂點(diǎn)。在下一個(gè)往下一層的模塊（the next module down）中，它則需要移動(dòng)42到49厘米，距離這樣漸漸變長(zhǎng)。在最下方的模塊里，這段移動(dòng)距離攀升到了幾米。
我們對(duì)于網(wǎng)格細(xì)胞和它們整潔的組織感到非常興奮。在皮層的大部分區(qū)域，神經(jīng)元的放電模式顯得混亂而難以理解，但在這里，在這個(gè)皮層的深層區(qū)域，有一群細(xì)胞在以可預(yù)測(cè)的、有規(guī)律的模式放電。我們急切地想要繼續(xù)探索。但是，在描繪哺乳動(dòng)物所處世界的地圖的系統(tǒng)中，并不僅僅只有這些網(wǎng)格細(xì)胞和位置細(xì)胞——其他的驚喜也在等著我們。
早在1980年代中期和1990年代早期，紐約州立大學(xué)下州醫(yī)療中心（SUNY Downstate Medical Center）的James B. Ranck和現(xiàn)在任職于達(dá)特茅斯學(xué)院的Jeffrey S. Taube就在海馬溝回前部——連接海馬體的另一塊皮質(zhì)區(qū)域——發(fā)現(xiàn)了頭部方向細(xì)胞（head-direction cells）。
我們的研究發(fā)現(xiàn)，這些細(xì)胞同樣也存在于內(nèi)嗅皮質(zhì)中，混在網(wǎng)格細(xì)胞之間。許多內(nèi)嗅皮質(zhì)中的頭部方向細(xì)胞與網(wǎng)格細(xì)胞有一樣的功能：圍場(chǎng)中它們放電的位置同樣也形成了網(wǎng)格，但這些細(xì)胞只有在大鼠在這個(gè)位置并且面朝特定方向時(shí)才會(huì)被激活。這些細(xì)胞看上去為動(dòng)物提供了指南針一樣的信息；通過(guò)監(jiān)控這些細(xì)胞，你可以讀出這個(gè)動(dòng)物在任何時(shí)間相對(duì)于周圍環(huán)境的方向。
幾年以后，我們?cè)?008年的時(shí)候在內(nèi)嗅皮質(zhì)中又發(fā)現(xiàn)了一種新的細(xì)胞類型。當(dāng)動(dòng)物接近墻壁、圍場(chǎng)邊緣、或是其他隔斷時(shí)，這些邊界細(xì)胞（border cells）就會(huì)放電。這些細(xì)胞似乎能夠計(jì)算動(dòng)物距離邊界有多遠(yuǎn)的距離。這個(gè)信息可以之后被網(wǎng)格細(xì)胞用來(lái)估算動(dòng)物相對(duì)與邊界來(lái)說(shuō)已經(jīng)移動(dòng)了多少距離，并且也能被用來(lái)作為參照點(diǎn)，在之后提醒大鼠這堵墻的位置。
最終，在2015年，第四種細(xì)胞進(jìn)入了我們的視野。它只對(duì)奔跑速度有反映，無(wú)論動(dòng)物在哪里或是朝著哪個(gè)方向。這些神經(jīng)元隨著移動(dòng)速度的提升成比例地也提升放電率。事實(shí)上，我們可以通過(guò)查看僅僅一小部分速度細(xì)胞的放電頻率來(lái)斷言一個(gè)動(dòng)物在給定時(shí)間點(diǎn)上的移動(dòng)速度。速度細(xì)胞可能與頭部方向細(xì)胞一起擔(dān)任向網(wǎng)格細(xì)胞持續(xù)傳達(dá)并更新動(dòng)物移動(dòng)的信息——它的速度、方向、以及它離起點(diǎn)的距離——的角色。
我們對(duì)于網(wǎng)格細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)，出乎我們意料，讓我們發(fā)現(xiàn)了使得位置細(xì)胞能夠?yàn)椴溉閯?dòng)物所處的環(huán)境繪制內(nèi)部地圖的輸入信息。我們現(xiàn)在明白了，當(dāng)動(dòng)物的大腦試圖追蹤它移動(dòng)的路徑以及它將要去的位置時(shí)，位置細(xì)胞整合了內(nèi)嗅皮質(zhì)中來(lái)自許多類型的細(xì)胞的信息。但即使是這些過(guò)程也并不能徹徹底底地解釋清楚哺乳動(dòng)物是如何導(dǎo)航的。
我們一開始的研究關(guān)注于內(nèi)側(cè)內(nèi)嗅皮質(zhì)（medial entorhinal cortex）。位置細(xì)胞可能也會(huì)接受來(lái)自外側(cè)內(nèi)嗅皮質(zhì)的信號(hào)，外側(cè)內(nèi)嗅皮質(zhì)中繼（relay）了來(lái)自一些感覺系統(tǒng)的、經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)，包括物體的氣味信息和特性信息。通過(guò)整合內(nèi)嗅皮質(zhì)內(nèi)側(cè)和外側(cè)的輸入信號(hào)，位置細(xì)胞解讀的是來(lái)自整個(gè)大腦的信息。關(guān)于來(lái)到海馬體的信息之間發(fā)生的復(fù)雜交互，以及因此帶來(lái)的對(duì)于特定位置的記憶，我們的實(shí)驗(yàn)室以及其他研究者們?nèi)栽诶^續(xù)探索，并且這項(xiàng)研究毫無(wú)疑問將會(huì)在未來(lái)很多年一直持續(xù)下去。
內(nèi)側(cè)內(nèi)嗅皮質(zhì)的空間地圖和海馬體的空間地圖如何共同協(xié)助導(dǎo)航？一種開始著手了解這個(gè)問題的方法是，找找這些地圖有什么不同。
紐約州立大學(xué)下州醫(yī)療中心的John Kubie和Robert U. Muller在1980年揭示了海馬體中位置細(xì)胞構(gòu)成的地圖可能隨著動(dòng)物移動(dòng)到新環(huán)境中而發(fā)生翻天覆地的變化——即使只是進(jìn)入了同一間房間中同一個(gè)位置的新顏色的圍場(chǎng)。
我們實(shí)驗(yàn)室中，通過(guò)讓大鼠在一系列多達(dá)11個(gè)隔間的空間中覓食，發(fā)現(xiàn)了大鼠在每一個(gè)隔間中都會(huì)快速形成這個(gè)隔間獨(dú)有的地圖。這進(jìn)一步支持了海馬體依據(jù)環(huán)境而形成特有地圖的觀點(diǎn)。
相反，內(nèi)側(cè)內(nèi)嗅皮質(zhì)形成的地圖是通用的（universal）。在某一個(gè)環(huán)境的網(wǎng)格地圖的一些特定位置上一起放電的網(wǎng)格細(xì)胞——以及頭部方向細(xì)胞和邊界細(xì)胞——到了另一個(gè)環(huán)境的地圖上也會(huì)在相似位置放電，像是第一張地圖的經(jīng)緯線被應(yīng)用到了新的環(huán)境中一樣。當(dāng)動(dòng)物在籠子的一個(gè)隔間往東北方向移動(dòng)時(shí)的細(xì)胞放電順序，在它進(jìn)入了其他隔間以后往同樣的方向移動(dòng)時(shí)又會(huì)出現(xiàn)。內(nèi)側(cè)內(nèi)嗅皮質(zhì)中這些細(xì)胞間的信號(hào)傳遞模式，就是大腦在所處環(huán)境中用來(lái)導(dǎo)航的東西。
這些密碼隨后從內(nèi)嗅皮質(zhì)中被傳遞到海馬體中，海馬體利用這些信息來(lái)形成針對(duì)于特定環(huán)境的地圖。從進(jìn)化的角度出發(fā)，整合兩套地圖的信息來(lái)為一個(gè)動(dòng)物導(dǎo)航看上去是動(dòng)物用導(dǎo)航系統(tǒng)的一個(gè)高效解決方案。內(nèi)側(cè)內(nèi)嗅皮質(zhì)中形成的網(wǎng)格所測(cè)量的距離和方向，并不會(huì)隨著它從一個(gè)隔間前往另一個(gè)隔間就改變。相反，海馬體中的位置細(xì)胞為每個(gè)單獨(dú)的隔間都形成了獨(dú)立的地圖。
解讀神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)仍然需要進(jìn)一步的研究。我們所有關(guān)于位置細(xì)胞和網(wǎng)格細(xì)胞的知識(shí)都是從實(shí)驗(yàn)中獲得的，實(shí)驗(yàn)中當(dāng)大鼠或小鼠在高度人工環(huán)境（平面的，沒有任何內(nèi)部標(biāo)記的結(jié)構(gòu)）中隨意走動(dòng)時(shí)，它們神經(jīng)元的電活動(dòng)被記錄了下來(lái)。
實(shí)驗(yàn)與自然環(huán)境有很大的不同，自然環(huán)境會(huì)不斷變化，也充滿了三維物體。研究的簡(jiǎn)化性引出了一個(gè)問題：當(dāng)動(dòng)物處在實(shí)驗(yàn)室外時(shí)，位置細(xì)胞和網(wǎng)格細(xì)胞激活方式是否與實(shí)驗(yàn)室中相同？
在嘗試模擬動(dòng)物自然棲息地的復(fù)雜迷宮中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為此提供了一些線索。在2009年，當(dāng)動(dòng)物在復(fù)雜迷宮中移動(dòng)時(shí)，我們記錄了網(wǎng)格細(xì)胞的活動(dòng)（在這個(gè)迷宮中，每條道路的末端都由曲折的發(fā)卡彎（hairpin turn），用以標(biāo)志下一條道路的開始）。研究表明，和預(yù)期的一樣，網(wǎng)格細(xì)胞形成了六角形模式來(lái)為大鼠測(cè)量迷宮中的每一條道路的距離。但是每次一只動(dòng)物從一條道路轉(zhuǎn)到另一條時(shí)，一個(gè)突兀的變化就發(fā)生了。在新的道路上，另一個(gè)網(wǎng)格模型被疊加上去，幾乎就像大鼠正在進(jìn)入一個(gè)完全不同的隔間時(shí)一樣。
我們實(shí)驗(yàn)室隨后的研究表明，網(wǎng)格地圖也可以在開放的環(huán)境中分解為小的地圖，如果這些空間足夠大的話。我們現(xiàn)在正在研究這些小的地圖是如何形成一個(gè)給定區(qū)域的合成地圖的。即使這些實(shí)驗(yàn)因?yàn)閲鷪?chǎng)的平坦和水平而顯得過(guò)于簡(jiǎn)化。在其他的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)——觀察飛行的蝙蝠和在籠子中爬來(lái)爬去的大鼠——也開始呈現(xiàn)出一些線索：位置細(xì)胞和頭部方向細(xì)胞似乎在任何三維空間的某些特定地方都能放電，并且很有可能網(wǎng)格細(xì)胞也是這樣。
海馬體區(qū)域的導(dǎo)航系統(tǒng)不僅只是能夠幫助動(dòng)物從A點(diǎn)走到B點(diǎn)。除了從內(nèi)側(cè)內(nèi)嗅皮質(zhì)接受關(guān)于位置、距離和方向的信息以外，海馬體還記錄位于特定位置的東西——一輛車或者旗桿——還有在那里發(fā)生的事情。于是，被位置細(xì)胞創(chuàng)造的空間地圖不僅僅包括關(guān)于動(dòng)物所在之處的信息，也包括關(guān)于動(dòng)物經(jīng)歷的事件細(xì)節(jié)，類似于Tolman的認(rèn)知地圖的概念。
這些被附加的信息中一部分似乎來(lái)自位于外側(cè)內(nèi)嗅皮質(zhì)的神經(jīng)元。關(guān)于物體的具體細(xì)節(jié)和事件的詳細(xì)情況與動(dòng)物的坐標(biāo)結(jié)合在一起，并被放入到記憶中。當(dāng)后來(lái)記憶被提取時(shí)，事件和位置一起被呈現(xiàn)到意識(shí)中。
這種位置的記憶使人想起古希臘和羅馬人發(fā)明的記憶策略。“位置記憶法（method of loci）”讓一個(gè)人通過(guò)想象將每個(gè)物體放入到某個(gè)地方熟悉的道路中來(lái)記憶一系列物品，這樣的地方可以是一處景觀或一個(gè)建筑——一種稱為“記憶殿堂”的方法。記憶競(jìng)賽的參與者仍然在使用這種方法來(lái)回想很長(zhǎng)的數(shù)字列表，字母或者撲克牌。
令人悲傷的是，內(nèi)嗅皮質(zhì)是阿爾茲海默癥患者最早無(wú)法使用的大腦區(qū)域之一。這種疾病讓內(nèi)嗅皮質(zhì)的腦細(xì)胞死亡，所以在內(nèi)嗅皮質(zhì)的縮小被認(rèn)為是診斷潛在患者的一種可靠的測(cè)量方式。游蕩和迷路的傾向也是這種疾病的早期跡象之一。在阿爾茲海默癥的晚期，海馬體區(qū)域的細(xì)胞會(huì)死亡，致使病人無(wú)法回憶自身經(jīng)歷或者記起如顏色名字這樣的概念。事實(shí)上，最近一個(gè)研究證明，對(duì)于有某個(gè)阿爾茲海默癥致病基因（使個(gè)體患病風(fēng)險(xiǎn)增加一個(gè)級(jí)別）的年輕個(gè)體來(lái)說(shuō)，他們的網(wǎng)格細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)功能可能存在缺陷——這是一個(gè)可能產(chǎn)生該疾病新診斷方式的發(fā)現(xiàn)。
今天，距離Tolman第一次提出存在對(duì)應(yīng)于我們周圍環(huán)境的心理地圖這一看法已經(jīng)過(guò)去了80多年，很顯然在大腦用于計(jì)算空間環(huán)境位置、距離、速度和方向的復(fù)雜表征中，位置細(xì)胞只是組成元素之一。在嚙齒目動(dòng)物腦部導(dǎo)航系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的多細(xì)胞類型也在蝙蝠、猴子和人類腦中存在。它們存在于各類哺乳動(dòng)物中，這表明哺乳動(dòng)物的早期導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)化涉及到了網(wǎng)格細(xì)胞和其他細(xì)胞，也說(shuō)明了各個(gè)物種中用于計(jì)算位置的神經(jīng)算法是相似的。
Tolman地圖的很多構(gòu)建基礎(chǔ)已被發(fā)現(xiàn)，我們正準(zhǔn)備開始理解大腦如何創(chuàng)造并部署它們。空間表征系統(tǒng)已經(jīng)成為哺乳動(dòng)物中研究最透徹的回路之一，它使用的算法也正被用于幫助破解大腦導(dǎo)航系統(tǒng)中的神經(jīng)密碼。
和很多其他正在探索的領(lǐng)域一樣，新的發(fā)現(xiàn)引出了很多的新問題。我們知道大腦有內(nèi)部地圖。但我們?nèi)匀恍枰玫乩斫猓貓D的基本元素如何一起運(yùn)作來(lái)產(chǎn)生針對(duì)性位置的表征，以及信息如何被大腦其他系統(tǒng)讀取來(lái)為“去哪里”和“如何去”做決定。
其他的問題還有很多。海馬體和內(nèi)嗅皮質(zhì)的空間網(wǎng)絡(luò)僅僅只能用于本地空間的導(dǎo)航嗎？在嚙齒目動(dòng)物中，我們檢驗(yàn)了半徑只有幾米的區(qū)域。位置細(xì)胞和網(wǎng)格細(xì)胞也可以用于長(zhǎng)距離導(dǎo)航嗎，比如在蝙蝠遷移幾百米或幾千米的過(guò)程中？
最后，我們很好奇網(wǎng)格細(xì)胞的起源是什么，在動(dòng)物發(fā)育過(guò)程中是否有重要的形成期，在其他的脊椎或無(wú)脊椎動(dòng)物中能否找到位置細(xì)胞和網(wǎng)格細(xì)胞。如果無(wú)脊椎動(dòng)物也使用它們，這將暗示著這個(gè)空間地圖系統(tǒng)在進(jìn)化中已經(jīng)被使用了幾億年。大腦GPS將會(huì)繼續(xù)提供豐富新穎的前沿研究方向，能讓未來(lái)幾代科學(xué)家研究上幾十年。
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