來源：中國科學報

作者：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。大腦到底靠什麼“認路”？

1月18日，陸軍軍醫大學新橋醫院神經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航系統，能夠實現空間方位感知。

這是在2014年諾貝爾生理學或醫學獎得主所發現的海馬—內嗅皮層介導的經典空間定位系統之外，科學家發現的另一套全新的、完整的“大腦GPS”。

從“假說”到諾獎

大腦的空間導航系統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。這一系統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注的焦點。

張生家介紹，海馬體一直被科學家視爲研究記憶和認知的核心腦區。

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，即在過去經驗的基礎上，頭腦中會產生類似於地圖的模型，但其對應的神經基質一直未能揭示。

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·莫澤夫婦在位於海馬體的“內嗅皮層”中發現了“網格細胞”，類似於空間座標系的機制。

莫澤夫婦與約翰·奧基夫一起，因發現大腦空間導航系統分享2014年諾貝爾生理學或醫學獎。

2008年起，張生家來到莫澤夫婦實驗室工作，主要從事體內電生理方面的研究。

臨牀研究提供新線索

近年來，張生家團隊對已發表的臨牀研究進行分析時發現了新線索。

“臨牀研究發現，病人在海馬—內嗅皮層受損後，空間導航能力仍然存在，這說明其他腦區可能也有導航功能，大腦中可能存在一個尚未發現的GPS。”論文第一作者龍曉陽告訴《中國科學報》。

同時，臨牀研究還爲找到另一套大腦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。

於是，他們將目標鎖定在軀體感覺皮層。

在最新發表的論文中，研究團隊首次系統地記錄和分析了軀體感覺皮層層狀結構中單個神經元的空間特徵放電活動。

龍曉陽介紹，研究中採用的“自由運動多通道電生理記錄技術及神經建模與計算”是該研究的特色和亮點，具有一定難度。

研究發現，類似於從前在海馬—內嗅皮層中發現的各類定位細胞，軀體感覺皮層中也存在繪製所處具體地點的“位置細胞”、類似於大腦裏指南針的“頭方向細胞”、負責環境邊緣感應和距離推算的“邊界細胞”、相當於空間座標系的“網格細胞”。

諸多未知仍存

張生家表示，軀體感覺皮層傳統上具有編碼觸覺、痛覺、溫度和本體感受等功能，本研究結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後出現空間記憶喪失的原因。

研究人員指出，有關大腦空間導航細胞這一領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，爲什麼大腦需要兩個空間導航系統？

二者是什麼關係？什麼樣的分子細胞機制觸發了軀體感覺皮層的導航編碼？它能否爲基於深度學習的人工智能提供計算算法和架構？

“因此，這一領域的未來研究方向應該有以下3個方面。”張生家指出，首先，解析這兩套大腦空間定位系統之間的相互作用關係。

第二，以大腦空間定位系統爲突破口，爲深入研究神經退行性疾病、神經發育性疾病等治療提供新依據。

第三，模擬哺乳動物的空間導航算法，開發更爲穩定、可靠和智能的類腦導航系統。

據瞭解，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、神經環路以及神經網絡水平來系統解析與情感、學習和記憶等一系列高級認知行爲相關的神經環路與計算編碼。