我從哪裡來？要到哪裡去？——哺乳動物的導航系統

來源丨腦人言（ID：ibrain-talk）

作者丨王江尾

當我們因為各種原因穿行在一座城市中時，如果不小心闖入高檔小區或者高級寫字樓，往往需要面對保安的終極三問：「你是誰？」「你從哪裡來？」「你要到哪裡去？」。若是回答不上這三個問題，輕則被驅逐出境，重的被扭送派出所也不無可能。而對於其他動物而言，走錯路線或者誤入歧途往往意味著更為嚴重的後果。譬如老鼠，如果它在覓食過程中，闖進了天敵的視野，顯然天敵不會耐心地調查一下老鼠的背景再決定捕殺與否，而是直接逮住盤它一盤，親親抱抱舉高高。至於最後是否落肚，那全看天敵的心情了。再譬如某些魚類，它們每年都需要洄遊到一些江河湖泊中交配產卵，生兒育女。若是因為走錯了路線，找不到配偶，那這一身祖傳的DNA可就只能埋沒江湖隨水草了。

從這裡我們就能看到，導航——即估計自身位置、回溯和規劃自己運動路線的能力，對於動物的生存來說是極為重要的。可以說，絕大部分的動物都需要依賴其導航能力來定位食物源、尋找配偶或者躲避敵害。而對於哺乳動物而言，海馬-內嗅皮層這一腦區對於其導航功能的實現極為關鍵。

參加過定向越野活動的小夥伴都知道，要從出發地走到目的地，所需的其實只有一張地圖和一個指南針而已。首先，我們需要通過觀察周圍環境，並與地圖進行對照，確定自身所處的位置，同時利用指南針確定自己的方向。緊接著，就可以按照地圖所示，規劃一條可行的路線抵達目的地。而這條路線往往包括沿哪個方向走、走到哪個地放要轉彎、轉到什麼方向等內容。同時，在走的過程中，我們也會不斷地觀察周圍環境，時不時與地圖對照，來判斷自己是否走錯路線。

而哺乳動物的大腦實現導航功能，採用的也是和以上描述類似的方法。

地圖--位置細胞

首先，來說說哺乳動物大腦所用的地圖——位置細胞（Place Cell）。

早在20世紀70年代，英國科學家奧凱弗（O"Keefe）就在大鼠的海馬體中發現了一群被稱之為「位置細胞」的特殊神經元。在實驗中，奧凱弗讓大鼠在一個開放空間中自由活動，同時用電極記錄海馬體內神經元的放電活動。結果發現，記錄到的某些神經元，其放電活動與大鼠在實驗室中的位置有著明顯的關係。例如，當大鼠位於實驗空間中的A地時，會有某個神經元甲產生強烈的放電活動，而其他神經元則保持靜息狀態。而當大鼠離開A地，到達B地後，神經元甲則回到靜息狀態，同時也會有另一個神經元乙產生強烈的放電活動。若是再由B地抵達C地，則神經元甲乙都會保持靜息狀態，另一個神經元丙產生強烈的放電活動。奧凱弗將這种放電與空間位置緊密相關的神經元稱為位置細胞，將每個位置細胞放電強烈的區域稱為位置野（Place Field）。

一個位置細胞的空間放電圖像：當大鼠走到空間中特定位置（紅色區域）的時候會被激活，產生一連串的動作電位。灰線代表大鼠運動軌跡，黑點表示在大鼠經過該位置時這個位置細胞產生了一個動作電位。

位置細胞的放電野是和環境線索緊密關聯的。在某些實驗中，大鼠僅能依靠單一的地標來判斷自己所處位置。研究人員在改變地標的方向之後，發現位置細胞的放電野也隨之發生一致的改變，而它們之間的相對關係維持不變。而如果將大鼠從一個環境換到完全不同的另一環境後，位置細胞的位置野則會發生徹底的改變。同樣幾個位置細胞在兩個環境中的放電野互相之間的相對位置、每個放電野的放電頻率等特徵都會發生變化，這種現象被稱之為「重映射（Remap）」。從重映射現象可以推測得知，兩個位置細胞在空間中的放電野位置和其在大腦中的位置是無關的。也就是說，在某一運動空間中放電野相鄰的兩個位置細胞，它們在大腦中的位置往往並不在一起。

因為不同的位置細胞具有不同的位置野，所以大鼠在某一空間中的位置原則上可以通過數個神經元的放電活動來進行推測。位置細胞的響應作為大腦對於自身所處位置這一認知的內在表徵，一般認為位置細胞群提供了一幅關於動物所處環境的分散式、異我中心的認知地圖（Cognitive Map），且對於每個不同的環境空間，都有一幅獨特的地圖與之對應。

位置細胞是大腦實現空間導航功能的關鍵一環，有了位置細胞基本上就已經可以回答「你從哪裡來？」和「你要到哪裡去？」這兩個問題。

指南針--頭向細胞

然後，再來說說大腦使用的「指南針」——頭向細胞（Head Direction Cell）。

在前面我們已經知道，位置細胞的活動與大鼠在空間中的位置緊密關聯，與之類似，頭向細胞的活動則與大鼠的面朝方向有關。每個頭向細胞都有一個偏好方向，當大鼠面向某個方向的時候，與之相對應的頭向細胞就會產生劇烈的神經活動，產生一連串的高頻動作電位。而當大鼠逐漸轉向、偏離這個偏好方向時，該頭向細胞的放電頻率則會逐漸降低。當大鼠的朝向偏離該頭向細胞的偏好方向約45°以上時，就會基本回到靜息的狀態。不同的頭向細胞具有不同的偏好方向，這些偏好方向在[0°, 360°]的範圍內均勻分布。也就是說，無論大鼠面朝哪個方向，都有一個與此對應的頭向細胞活躍起來，作為大腦對於自身面朝方向的表徵。

一個頭向細胞的放電特徵：當大鼠面朝約70度方向的時候，該頭向細胞達到最高的放電頻率，大鼠面朝方向偏離70度越遠，這個頭向細胞放電頻率越低。（數據來源：J.S. Taube, et al. 1990）

需要強調的是，儘管我們說頭向細胞是大腦的「指南針」，但是頭向細胞本身和地磁場毫無關聯，其偏好方向是與環境緊密相關的，與地磁南北極無關。當環境線索轉動一個角度後，頭向細胞的偏好方向也會轉過相同的角度。

另外，與位置細胞只存在於海馬體不同的是，頭向細胞在多個腦區都有分布。而與位置細胞相同的是，頭向細胞的偏好方向和其在大腦中的位置也是沒有關聯的。兩個偏好方向接近的頭向細胞，它們在大腦中的位置往往也不在一起。

路徑積分

故事到這裡似乎已經很完整了：位置細胞提供了實現導航所需要的地圖，頭向細胞提供了導航所需要的方向信息，如前所述，利用這兩個信息我們的大腦原則上已經能夠完成導航任務。但是，你以為大腦僅僅做到這樣就滿足了嘛？這怎麼會是大腦的風格呢？

還是以定向越野為例，設想這樣一種情形，你的地圖完好無損，指南針指示也很正常。利用前面的辦法，你很快就搞清楚自己所在位置和方向，正喜不自勝，打算繼續規劃路線。但是！霎時間，一陣妖風以摧枯拉朽之勢刮來，旋即又止，卻留下一陣濃得快結成水珠的大霧，混沌不分天地亂，茫茫渺渺無人見，能見度突然變得極低，你僅僅能夠看清地圖和指南針，再也無法看清周圍的環境。在這種情況下，前面所說的方法已經行不通，你覺得自己還能夠完成定向越野的任務嗎？

但這絕對難不倒我們的大腦。研究人員將大鼠放進一個它非常熟悉但是已經完全黑暗的環境中，同時排除了氣味等因素的干擾，可以說在這種條件下大腦已經基本無法獲取有關環境的信息（是不是和你遇見的濃霧很像？）。即使在這種條件下，位置細胞仍然能夠正常工作。也就是說，當這隻大鼠經過了前面所例舉的A地時，神經元甲依然會產生強烈的放電活動。同樣，經過B地或者C地時，神經元乙或者丙也依然會強烈放電。類似的，頭向細胞也能夠在黑暗環境中正常工作。簡單地說，就是在完全黑暗的環境中，大腦仍然非常清楚自身所在的位置，並且順利實現導航功能。這種特別的現象提示我們，位置細胞的放電活動，並不僅僅依賴於環境提供給大腦的信息。

面對這樣的結果，天才的科學家們提出了「路徑積分（Path Integration）」的概念。這個概念是說我們的大腦能夠通過對自身運動信號的積分來判斷自己從哪個位置達到了哪個位置，這就能夠保證在完全缺乏環境信息時，大腦仍然能夠判斷自己的位置。從理論上講，為了實現路徑積分，大腦必然需要一套內置的坐標系統，能夠用於表徵不同位置之間，位置與自身運動方向、距離之間的關係。有了這樣一套坐標系統，大腦才能夠實現對自身運動的積分和更新，用自己初始的「坐標」（神經元的激活狀態），加上自己在某段時間內的運動信息，估計出自己當前的「坐標」。「路徑積分」的概念主要是對大腦這種能力的描述，在剛剛提出時人們並不清楚其具體的神經機制，對於大腦內置的坐標系統也一無所知。而一類新神經元的發現，使得人們逐漸開始理解路徑積分的具體實現過程。

在內側內嗅皮層，挪威科學家莫澤夫婦（May-Britt Moser和Edvard Moser），一對科學界的神仙眷侶，發現了一類更為特別的神經元。這些神經元與位置細胞類似，能夠對空間中特定的位置產生劇烈的神經活動，形成位置野。但是與位置細胞不同的是，這類神經元往往單個就能夠在同一個環境中形成多個位置野。而且，更為神奇的是，這些位置野在空間上的分布並不是隨機散亂的，而是極為規則地形成了一個完整的正三角形點陣結構，每個位置野都位於這個三角形點陣的格點位置。因此，莫澤夫婦將這類神經元命名為「網格細胞（Grid Cell）」。

一個網格細胞的放電野：白點代表大鼠經過該處時，這個網格細胞產生了一個動作電位。放電點天然地聚集形成多個放電野，所有放電野形成了三角形點陣結構（黃色細條標記）。

不同網格細胞的差別主要體現在三個方面：

網格間距，指兩個最臨近的放電野之間的間隔；

網格朝向，所有放電野形成的點陣結構的朝向；

網格相位，兩個網格細胞放電野之間的差距。

而且，網格細胞這三個特徵不會任意變化，不同的網格細胞之間具有高度組織性。已有實驗證實，所有的網格細胞不會分成超過10個模塊。每個模塊內的網格細胞具有相同的網格間距和網格朝向，只是網格相位不同，而來自不同模塊的網格細胞則具有不同的網格間距和網格朝向。對於大腦來說，不同的模塊就相當於具有不同量程和精度的尺子。大網格間距的模塊量程大，但是精度相對較低，小網格間距的模塊量程很小，但是精度很高。

在目前的理論模型中，網格細胞的激活狀態是位置細胞的重要輸入信息。對於空間中的任一位置，都會有一組來自不同模塊、不同網格相位的網格細胞被激活，整個網格細胞群呈現出一種獨特的激活狀態組合。這組被激活的網格細胞進而激活了一個特定的位置細胞，於是這個位置也就成為了被激活位置細胞的位置野。同時，網格細胞的激活狀態組合能夠隨著大鼠的運動而改變。當大鼠在不斷運動的時候，網格細胞群的激活狀態一直緊跟著發生變化，而被網格細胞群激活的位置細胞也隨之不斷變化，這也就實現了前面所說的路徑積分。因為提供給網格細胞的運動信息，實際上是大腦自身對於運動方向和運動速度的判斷。它不依賴於環境，所以即使在黑暗環境中，大腦中的導航系統仍然能夠正常工作。

因為網格細胞實際上是通過某種形式的神經計算，給出了位置細胞互相之間以及位置細胞和運動之間的關係，所以網格細胞不僅僅能夠解決在黑暗環境中的導航問題，實際上它對於導航路線的回憶和規劃也具有極為重要的意義。這一點不僅僅在神經科學領域得到了驗證，在人工智慧領域也有類似的結果。

結語

可以說，位置細胞、頭向細胞和網格細胞是哺乳動物大腦內置定位系統中最為重要的三個部分。因此，發現位置細胞的奧凱弗和發現網格細胞的莫澤夫婦在2014年分享了諾貝爾生理學和醫學獎。不過，也還有一些其他類型空間導航神經元存在於大腦中。像同樣在內側內嗅皮層的速度細胞，其放電頻率與大鼠的速度呈明顯的線性相關，可能作為網格細胞的輸入，為其提供動物體自身的運動信號。還有邊界細胞，它會在大鼠運動到環境的某一邊界時激活，為大腦提供環境邊界的信息。

最後，如果你不是路痴，那麼恭喜你！看起來你大腦的導航系統工作一切正常！如果你是路痴，那麼也恭喜你！消遣了幾分鐘的時間，了解大腦導航系統並對拯救路痴並無明顯幫助！

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