摘要
在我们的大脑中，就像猴子和老鼠等其他哺乳动物的大脑一样，有一个叫做海马体的区域，它让我们找到路而不会迷路。有时候我们想开车去某个地方，结果却到了另一个地方。这是怎么发生的?“地方”到底是什么?我们有“地方”的感觉，就像我们有其他感官——视觉、听觉和嗅觉一样吗?在本文中，我们将讨论我们在实验室中研究的“位置细胞”和其他类型的脑细胞，它们赋予我们的大脑内部地图功能，并充当我们每个人体内天然的“Waze”导航系统，帮助我们在不同的地方之间找到路。
大脑与自己斗争
上个星期，我和妻子鲁斯一起开车送她去上班。图1)．我开始开车，我们边开车边聊天。露丝的工作地点在以色列海法，一个叫哈达尔的社区，而我的工作地点在一个叫巴特加利姆的社区，靠近大海。我们住在卡梅尔山上，所以我开始沿着山坡开车，走我经常走的那条路。几分钟后，我们注意到汽车意外地把我们“带”到了我的公司，而不是露丝的公司。当然，我们立即修正了路线，但这额外的转弯让我们在拥挤的交通中多花了半个小时。到底发生了什么?我原计划到达一个地方(露丝的工作地点)，结果却不知不觉地到达了另一个地方(我的工作地点)，这是怎么回事?
- 图1 -插图:Shira Derdikman。
事实证明，在我们的大脑中，有不同的部分负责“我应该去哪里?”有时这些大脑区域会给我们不同的答案。当我上车时，大脑的一个区域告诉我:“每天早上按你要去的路开车，去你经常开车去的地方。”而另一个区域却说:“等等，等等，等等!今天，你需要改变你的习惯，前往一个新的地方。”问题是，有时负责习惯的大脑区域会接管，让我们开车去我们不想开车去的地方。
获得诺贝尔经济学奖的以色列教授丹尼尔·卡尼曼(Daniel Kahneman)声称，大脑有两个系统，分别称为系统1和系统2。系统一工作得更快、自动，而系统二工作得更慢，需要集中注意力才能运作，但允许我们完成更复杂的任务。系统2需要我们有意识的关注，而我们很少注意到系统1做了什么，因为即使我们不注意它，它也倾向于继续运行。在我们坐车的时候，我需要开车送露丝去上班，这让我偏离了我的习惯。为了到达正确的目的地，我不得不让系统2来处理导航问题——但是系统2正忙着和露丝通话，所以系统1代替了导航，我们发现自己在去我工作的路上，而不是去露丝工作的地方，出于习惯。
我们大脑内部的地图
在我的实验室里，我研究了大脑系统2在导航过程中的作用。系统2是一个灵活的系统，它能让我们在以前没有去过的地方找到路。想象一下，我们每个人的大脑里都有一张小地图。这是什么地图?它能让我们做什么?在人类大脑中，有一个区域叫做海马体（图2)，我们相信这是系统2的一部分。海马体包含了大脑中负责在不熟悉的地方导航的区域。人类、猴子和老鼠的海马体也有同样的导航功能。所有这些动物都需要找到从一个地方到另一个地方的路，所以它们大脑中有负责这项任务的区域也就不足为奇了。海马体存在于人类和其他哺乳动物(如老鼠)身上的事实，支持了所有哺乳动物都有一个共同的祖先的说法，他们生活在数百万年前，也有海马体。
- 图二-(一)海马体在希腊语中的意思是“海马”，因为这个大脑区域的形状与海马的形状相似(插图:Shira Derdikman)。
- (B)海马体在人脑中的位置(来源:维基百科)。
在Technion的实验室里，我研究老鼠的海马体。和人类一样，老鼠的海马体也参与了负责导航的计算。老鼠不需要像我一样从家导航到公司。但它们确实需要知道如何从它们的巢穴导航到我们的厨房，以便在地板上找到奶酪碎，然后安全返回它们的巢穴(不会在路上撞到我的猫)。海马体包含数以百万计的脑细胞神经元)，这些细胞负责利用电流将信号从大脑的一个地方传输到另一个地方。这就是为什么脑细胞很长，看起来有点像微小的通信电缆(图3)．在实验室里，我们记录了这些神经元的电活动。
- 图3 -脑细胞。
- 一个脑细胞，也被称为神经元，可以很窄，约为百分之一毫米，但也可以很长，以便利用电流将信息从大脑的一个地方传输到另一个地方(插图:Shira Derdikman)。
放置单元格和其他单元格
海马体研究的重大突破发生在大约50年前的1971年。来自伦敦的约翰·奥基夫教授和他的以色列学生乔纳森·多斯特罗夫斯基博士，在一只老鼠的海马体中发现了非常特殊的脑细胞。奥基夫教授发现，当大鼠出现在特定位置时，海马体中的这些特殊细胞会做出反应(即向其他细胞发送电信号)。然而，当大鼠在另一个位置时，这些细胞是安静的，不具有电活性。因此，当研究人员记录海马体中这些细胞的活动时，他们就可以知道大鼠当时所在的位置(图4)．O 'Keefe认为，这些细胞在老鼠(或人类，或猴子)的大脑中形成了某种内部地图，帮助它知道自己在哪里，如何找到路。这张地图有点像一个内部的“Waze”导航系统，存在于所有哺乳动物身上，帮助它们找到从一个地方到另一个地方的路。
- 图4 -位置细胞是海马体中的脑细胞，每当动物经过盒子中的某个位置时，它们就会“醒来”并开始发送电信号。
- 在这个例子中，当老鼠经过黄圈标记的区域时，一个位置细胞“醒来”。另一个位置单元格将在盒子中的另一个位置“唤醒”。在其他哺乳动物的海马体中也发现了这些细胞。
最初，科学家们对O 'Keefe的发现持怀疑态度，因为这个想法地方的细胞听起来很奇怪。当我们在某个特定的位置时，脑细胞怎么会开始工作呢?在奥基夫的发现之前，科学家们认为动物的脑细胞主要被两种东西占据:感觉(视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉)和运动。在那个时候，我们知道大脑细胞会对我们的五种感官所遇到的事物做出反应，但“地点”远没有那么明确。细胞对特定的“位置”有反应，这意味着什么?如何定义一个地方?无论如何，这不是一个简单的问题，但是，近50年后，已经有如此多的实验支持位置细胞的存在，以至于很难反对它们。2014年，约翰·奥基夫(John O 'Keefe)因发现位置细胞而获得诺贝尔医学奖，这一重要发现得到了他应得的认可。
自从20世纪70年代发现定位细胞以来，许多其他类型的处理导航的脑细胞也被发现了。另一种重要的导航单元叫做网状细胞2005年，挪威的一间实验室里，几位教授发现了这种蛋白质。爱德华·莫泽和梅·布里特·莫泽(以及他们的学生)。他们的发现还获得了诺贝尔奖。莫泽夫妇发现，海马体附近的大脑区域含有脑细胞，这些脑细胞可以以六边形为基础绘制空间地图。这有点像说大脑用纸上的正方形来描绘世界，只是用六边形代替了正方形。这些六边形类似于自然界中其他有六边形的地方，例如蜂巢(图5)．这一发现让我非常兴奋，以至于在2006年，我前往挪威的莫泽实验室，与他们一起研究刚刚被发现的网格细胞。
- 图5 -网格单元的功能类似于蜂巢的形状
- 在一个方框区域内(右)，每当动物经过标有“x”的位置时，网格单元就会发出电流。活动位置以六边形的形状排列，就像蜂巢中的细胞(左)。六边形的一个例子是在右边用红线标记(图片来源:David Hablützel from Pixabay)。
展望未来
未来会怎样?既然不同类型的细胞共同工作，形成了大脑的内部地图，这项研究的中心目标之一就是找出这些细胞是如何运作的，也就是说，它们是如何识别一个“地方”的。在我的实验室里，我们发现某些部位比其他部位更重要，我们研究大脑如何决定什么是重要的，什么不是。此外，我们还研究了大脑中将信息从感官(视觉和触觉)传输到内部地图的通路。大脑研究背后的技术在过去50年里取得了巨大的进步。虽然奥基夫只能记录单个脑细胞的电活动，但今天我们可以同时记录成百上千个脑细胞。这将我们带入一个大数据的新时代，我们可以记录数百万个来自大脑的信号。现在最大的挑战是破译所有这些信号，以回答我们开始时的基本问题——大脑如何知道我们在哪里?
术语表
海马体：↑一个已知与记忆和导航有关的大脑区域。
神经元：↑神经细胞:大脑中的神经细胞
地方细胞：↑海马体中的一种神经细胞，当动物在某个地方时活跃。
网格单元：↑海马体附近的一种神经细胞，当动物经过形成六边形的某些点时，它就活跃起来。
利益冲突
作者声明，这项研究是在没有任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。
致谢
感谢Itamar Derdikman, Ruth Derdikman- eiron，以及阅读、编辑和评论文本的年轻审稿人。感谢Shira Derdikman的插图。