方向感的腦科學:你是個路痴嗎?可能是大腦的網格細胞在鬼混

方向感的腦科學:你是個路痴嗎?可能是大腦的網格細胞在鬼混

我們想讓你知道的是

我們如何知道自己身在何處?我們的方向感從何而來?解密大腦如何定位導航的神經科學研究,榮獲2014年諾貝爾生醫獎。

文:梅布里特.穆瑟(May-Britt Moser)、愛德華.穆瑟(Edvard I. Moser)

知道自己身在何處、要去何方,是生存的關鍵能力。要是沒有這種認知能力,人類與其他動物都無法找到食物或繁衍後代,事實上,所有的個體以及整個物種都會因此滅亡。

如果把哺乳類和其他動物相比較,我們會發現哺乳類的定位導航系統相當精巧。以線蟲這種只有302顆神經細胞的簡單生物為例,其定位導航能力幾乎完全依賴嗅覺訊號,也就是只能依靠沿途增強或減弱的氣味濃度行進。

有些動物擁有較精巧的神經系統,例如沙漠螞蟻或蜜蜂,則會透過額外的方法來定位導航。其中一種方法是稱為「路徑整合」的類GPS機制:神經細胞會不斷更新個體相對於起始點的前進方向與速度,來計算目前的所在位置。這種計算方式不需要外界的任何線索做為參考點(例如地標)。

以脊椎動物來說,特別是哺乳類,能夠協助個體在環境中定位導航的能力,就更多元了。


早在數十年前,科學家即知大腦深處的海馬回和記憶功能有關。英國倫敦大學學院的神經科學家奧基夫(John O’Keefe)利用微電極量測大鼠海馬回中的動作電位,奧基夫在1971年發現,當大鼠身處盒子裡的某個特定位置時,海馬回中的某些神經細胞就會活化,因此他把這些細胞命名為「位置細胞」(place cell)。

奧基夫發現,大鼠位於盒中不同位置時,活化的位置細胞也會不同,而且整合所有位置細胞的活化,就可反映出盒子內的空間地圖。研究人員透過微電極記錄並整合大鼠海馬回中各個位置細胞的活化,就可找出牠們在任何一個時間點的確切位置。1978年,奧基夫和同事內達爾(Lynn Nadel,現任教於美國亞利桑那大學)主張,位置細胞就是托曼所說的認知地圖中的關鍵要素。

六角形定位網格

科學家發現了位置細胞後,對於這個和感覺皮質與運動皮質距離最遠的大腦深處也開始有了更深刻的認識。當奧基夫在1960年代末開始進行這方面的研究時,人們對於神經細胞何時活化與靜止的知識多半仍局限在初始感覺皮質,這些腦區的神經元活動乃是直接由光、聲音和觸覺等感覺訊息所刺激。

當時的神經科學家猜測,由於海馬回距離感覺器官太遠了,因此應該無法處理感覺訊息,而微電極所記錄到的神經細胞電生理訊號也不容易解讀。但是當科學家發現海馬回中的神經細胞可以建構外在環境的認知地圖後,就粉碎了這個疑慮。

儘管這項發現十分引人注目,而且也顯示出位置細胞在定位導航功能中扮演了某種角色,但是接下來數十年中,沒有人知道它確切的功能是什麼?位置細胞位於海馬回的CA1區,這個區域是訊息傳遞路徑的末端,負責接收來自海馬回其他區域的訊息。當時的科學家猜測,位置細胞從海馬回的其他區域接收了與定位導航有關的重要計算訊息。2000年代初期,我們兩人決定在挪威科技大學的新實驗室中進一步探索這個想法,這項研究讓我們獲得了重大發現。

我們與衛特(Menno Witter,現任職於挪威科技大學)以及許多極富創意的學生合作下,首先阻斷大鼠海馬回中一些會傳遞訊息給位置細胞的神經線路,然後透過微電極記錄這些位置細胞的反應。我們原本以為,如此做就可以確認這些神經線路是位置細胞正常運作的關鍵,沒想到,當大鼠走到特定位置時,依然會活化這些在CA1中、位於線路終端的位置細胞。

我們的結論是,位置細胞並不需要藉由海馬回中的神經元活動來判斷個體所在的位置。接下來我們把注意力轉向這個實驗中唯一沒有被阻斷的神經路徑:由內嗅皮質(entorhinal cortex)至CA1的直接連結,內嗅皮質是一個介於海馬回和其他皮質區域的腦區。

2002年,我們持續與衛特合作,在內嗅皮質植入電極並記錄大鼠走迷宮時(和先前測量位置細胞實驗的大鼠同樣的迷宮測驗)的電生理訊號,結果發現,當大鼠走到迷宮中的某些位置時,都會活化內嗅皮質中的許多神經細胞,就跟海馬回裡的位置細胞一樣。兩者的差異在於,內嗅皮質中的單一神經細胞並不只會對單一一個空間位置有所反應,而是會對許多空間位置有反應。

這些神經細胞最令人驚奇的特質,是它們的活化模式。2005年,當我們加大迷宮範圍時,神經細胞的活化模式終於一目了然。當迷宮的範圍增大到一定大小後,我們發現內嗅細胞活化的諸多空間位置,連起來就像是一個六角形。當大鼠移動到六角形的頂點時,就會活化我們稱為「網格細胞」的神經細胞。

身處迷宮何處?

這些六角形覆蓋了大鼠可探索的整個迷宮範圍,每一個六角形就像是一張大網格圖中的基本單元,有點像一般地圖上由經線和緯線所構成的方格一樣。網格細胞的活化模式和位置細胞不同,我們因此猜想它可能負責提供距離和方向資訊,幫助大鼠根據身體運動所產生的生理訊號、而非環境資訊來了解自己行經的路徑。

當我們檢視內嗅皮質中不同位置的網格細胞時,也發現了一些不同特質。在背側(靠近上方)的網格細胞,對應的六角形結構比較緊密;相較之下,腹側(下方)的網格細胞所對應的六角形則比較大。而且越靠近腹側,六角形結構就越大,由背側到腹側可以分成許多區間(或稱「模組」),每一區間中的網格細胞,對應的六角形結構都有特定大小。

每一個區間裡的網格細胞對應的六角形大小,會隨著越靠近腹側(下方)而越來越大,可由前一區間的尺寸乘以1.4得出(大約是根號2)。對於內嗅皮質上方的網格細胞來說,當大鼠位於某個六角形的頂點並使某一個網格細胞活化後,牠必須再移動30~35公分才能到達六角形的另一個頂點,並再次活化這個細胞。在下一層的模組中,大鼠必須移動約42~49公分才行。在最下方的模組,六角形頂點之間的移動距離則長達數公尺。

我們對於網格細胞及其井然有序的組織結構感到非常興奮。關於大腦皮質大部份的腦區,神經細胞的活化模式看起來都十分雜亂、不易分析,但是這個深層腦區卻存在一個功能系統,其中的神經細胞反應非常規律、容易預測。我們迫不及待的想要展開研究!這些網格細胞和位置細胞並不是哺乳類用來定位導航的全部細胞,還有其他的驚喜正等著我們一一探索。

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Photo Credit: 科學人雜誌

各司其職

我們會發現網格細胞,是因為我們希望找出位置細胞到底利用哪些資訊,來幫助哺乳類建構外在環境的認知地圖。我們現在知道,當動物試圖追蹤自己走過的路徑以及目標方位時,位置細胞能彙整內嗅皮質中其他細胞的訊息,不過這些細節仍然無法組成哺乳類動物定位導航的全貌。

我們最初的研究聚焦在內嗅皮質的內側。但是位置細胞也可以接收內嗅皮質外側的訊息,這些訊息包括來自感覺系統的資訊,例如氣味以及物體種類。位置細胞透過整合內嗅皮質內側與外側的訊息,就可詮釋來自大腦各腦區的資訊。我們以及其他實驗室目前正在研究這些細胞如何重整這些龐雜的資訊,以及它們如何產生與空間位置相關的記憶。毫無疑問,這些研究還有很長的路要走!

有一種方法可以幫助我們了解內側內嗅皮質,和海馬回中的空間地圖如何結合,並幫助動物定位導航:比較兩個腦區中的地圖差異。紐約州立大學下州醫學中心的庫比(John Kubie)和已故的繆勒(Robert U. Muller)在1980年代發現,當動物來到全新的環境時,海馬回中的位置細胞所建構的地圖會全部改變,即使只是同一個房間中的顏色不一樣了,位置細胞也會出現變化。

我們的實驗室也發現,當大鼠在數個房間、多達11種邊界之中尋找食物時,牠們腦中很快就會產生相對於每一個房間的空間地圖,這些發現支持了「海馬回會根據各種特殊環境繪製特定地圖」的看法。


模擬現實世界

我們仍然需要進行許多研究才能全方位了解大腦定位導航系統的功能。目前幾乎所有關於位置細胞和網格細胞的知識,都是透過記錄大鼠或小鼠在實驗環境中移動時神經細胞的反應而來,這些人造環境都是平底盒子,完全沒有可做為地標的結構。實驗室環境和自然環境差異極大,自然環境總是不斷變化,而且充滿了各種立體物體。

實驗室研究應用的化約主義令人不禁懷疑,當動物在實驗室外的自然世界時,位置細胞和網格細胞是否仍會出現相同的反應?有些實驗使用了複雜的迷宮來模擬動物的自然棲地,這些研究結果讓我們有機會一探究竟。

2009年,我們記錄了大鼠在複雜迷宮中移動時腦中網格細胞的活動,在這個複雜迷宮中,每一條通道的盡頭都會有一個髮夾彎,連接到另一條通道。研究結果一如預期:網格細胞會以六角形的活化模式來繪製相對應的空間地圖。但是,當大鼠通過髮夾彎並進入另一條通道後,腦中空間地圖就會突然出現變化。在原本的六角形活化模式中,會多出新的網格型式來對應新通道,宛如大鼠進入了一個全新的房間。

我們稍後又發現,如果大鼠在夠大的開放空間中,網格地圖就會以許多小地圖的型式存在。我們現在正在探索這些小地圖如何整合成一幅完整的大地圖。不過這些實驗也仍然有過於簡化的缺點,因為迷宮內的世界仍然缺乏立體物體、而且是水平的。

其他團隊研究飛行的蝙蝠和在籠子上攀爬的大鼠,這些結果讓我們逐漸看出端倪:位置細胞和頭部方向細胞似乎可以對應任何三維空間中的某個特殊位置,而且網格細胞很可能也是如此!

待探索的豐富寶藏

海馬回裡的定位導航系統並不只是幫助動物從A點移動到B點,除了從內側內嗅皮質接收位置、距離和方向的資訊之外,海馬回還會記錄何處存在什麼事物,例如某個地方的某一輛車、某一根旗杆或者發生過的某件事。因此,位置細胞產生的空間地圖包含動物的導航資訊,也有動物的經驗,非常類似托曼的認知地圖概念。


還有其他更多問題。例如,海馬回與內嗅皮質中,與空間資訊有關的網絡只負責處理局部空間的定位導航嗎?在觀察齧齒類動物時,我們只檢視了半徑幾公尺的活動區域。位置細胞與網格細胞是否也用來處理長距離的定位導航,例如蝙蝠長達數百或數千公里的遷徙行為?

最後,我們想知道網格細胞是如何出現的?在動物的發育過程中,是否存在某個讓網格細胞出現的關鍵形成時期?其他脊椎動物或無脊椎動物腦中是否也存在位置細胞和網格細胞?如果無脊椎動物也有這些細胞,那就表示這套空間定位系統在演化的歷史中已存在了數百萬年之久!

新研究將會持續在大腦GPS這個主題獲得豐富的驚人發現,讓接下來數十年內的科學家樂此不疲。

本文獲《科學人雜誌》、《科學人粉絲團》授權刊登,原文刊載於此

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航


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