他們發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)格細胞能對空間位置產(chǎn)生映射，從而幫助大腦導(dǎo)航。神奇的是，網(wǎng)格細胞感應(yīng)到的位置能形成近乎完美的圖案——一種類似蜂巢的六邊形網(wǎng)格。誰能想到大腦深處竟然隱藏著至簡至美的六邊形？莫澤夫婦的發(fā)現(xiàn)讓我們領(lǐng)略到大腦中蘊藏的智慧和美，也激起了更多人對神經(jīng)科學(xué)、對大腦的興趣。
2014年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎得主愛德華·莫澤和梅-布里特·莫澤夫婦
愛德華·莫澤和妻子在2014年共同獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎，成為歷史上第5對獲得諾貝爾獎的夫婦。他們發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)格細胞能對空間位置產(chǎn)生映射，從而幫助大腦導(dǎo)航。
特隆赫姆城，挪威科技大學(xué)的所在地。每年12月，這里的冬夜是全年最漫長的，每天有20小時以上都處于黑夜之中?？赡苁谴笞匀粚Ρ睒O地區(qū)見不到陽光的補償，在漫長寒夜常會有美麗的北極光照亮天空，這也是挪威科技大學(xué)的愛德華·莫澤教授最喜歡的自然景觀之一。
在2016年即將到來的時候，筆者撥通了莫澤的電話，隔著7000多千米的距離，對這位2014年的諾獎得主進行了專訪，聽他講訴關(guān)于大腦GPS的更多細節(jié)。
你和梅-布里特（May-Britt Moser）當初為何會研究大腦中的GPS？
莫澤：其實我對整個大腦都很著迷。不過，與認知、想象、規(guī)劃能力相比，研究導(dǎo)航系統(tǒng)要容易入門一些，研究起來也十分方便。老鼠大腦的導(dǎo)航系統(tǒng)與人非常相似，它們是識路高手，也是非常好操作的實驗對象。當時，我們已經(jīng)得知位置細胞存在，這是個額外的優(yōu)勢，畢竟比從零開始方便得多，我們可以從位置細胞的信號來源、位置細胞是如何產(chǎn)生的等簡單問題入手。另外，當時的科學(xué)家對海馬體的了解已經(jīng)非常深入，而我們的導(dǎo)師正是在這一領(lǐng)域有極高聲望的約翰·奧基夫教授（John O’Keefe，與莫澤夫婦分享了2014年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎）。就這樣，我們自然而然地開始了大腦GPS的研究。
通過你們的研究，我們知道，大鼠經(jīng)過一個六邊形的任意一個頂點時，相應(yīng)的網(wǎng)格細胞就會被激活。是怎么想到這一點的？是偶然發(fā)現(xiàn)嗎？
莫澤：不能說是偶然，我們在大鼠處于較狹窄的環(huán)境時就已經(jīng)觀察到了一種規(guī)律。標準的實驗環(huán)境是約1平方米的正方形。在這樣的環(huán)境中，我們發(fā)現(xiàn)每當網(wǎng)格細胞被激活時，大鼠經(jīng)過的位點之間的距離是恒定的，但那時還不能準確描述這是一個怎樣的圖案。
2004年，也就是發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格細胞的前一年，我們就已經(jīng)清楚地闡述過這種現(xiàn)象：這些位點之間的距離不是隨機的。很明顯，為了觀測到更清晰的圖形規(guī)律，我們必須擴大實驗環(huán)境。而我們當時已經(jīng)有這樣的實驗條件，就給大鼠換了個大環(huán)境，然后，我們便發(fā)現(xiàn)了網(wǎng)格細胞。
繼網(wǎng)格細胞之后，2015年你們又發(fā)現(xiàn)了另一種導(dǎo)航細胞——速度細胞，有科學(xué)家評價“這是大腦地圖領(lǐng)域最后一塊重要拼圖”，對此你怎么看？
莫澤：我不認為速度細胞是大腦導(dǎo)航系統(tǒng)的最后一塊拼圖。也許這么說更合適：在此之后發(fā)現(xiàn)的其他細胞，可能不會像速度細胞一樣專職負責某一功能，就像我們發(fā)現(xiàn)許多網(wǎng)格細胞和邊界細胞還兼有頭部方向細胞或是速度細胞的功能。
目前發(fā)現(xiàn)的與導(dǎo)航有關(guān)的細胞總數(shù)，大概占到了內(nèi)嗅皮層細胞的50%以上，也許是60%或70%的樣子。而且，也許那些已發(fā)現(xiàn)和未發(fā)現(xiàn)的細胞還有其他我們不知道的功能。更重要的是，我們目前只是發(fā)現(xiàn)了不同的細胞種類，卻依然不清楚它們之間是如何互動的。
單獨看這幾類細胞，相當于在介紹一個航空公司時，只介紹了不同的員工，比如飛行員、空乘人員以及地勤人員。能否講講這些細胞是怎么協(xié)作完成任務(wù)的？
莫澤：這個確實有點難以回答，因為我們對這些細胞的了解其實并不比對航空公司員工的了解更多。
網(wǎng)格細胞對環(huán)境進行度量，從而提供距離和方向的信息。邊界細胞則知道環(huán)境中的墻或其他各種邊界的位置，很可能對網(wǎng)格細胞起著像“錨”一樣的作用。也就是說，網(wǎng)格細胞很可能利用邊界細胞的信息來校準方向。
我們在2015年發(fā)表于《自然》的一篇論文中，介紹了網(wǎng)格細胞在環(huán)境中獨特的方向定位。通常來說，如果我們沿著六邊形的頂點畫軸線，其中一條軸線總是會與墻壁呈現(xiàn)出7.5°左右的夾角。這非常奇怪，在絕大多數(shù)情況下，這條軸線總是與墻壁有這么一點點夾角，而不是與墻壁平行。不過，細想一下，也并不奇怪，因為在一個正方形平面中，當夾角為0°時，六邊形會沿著正方形的中軸對稱，當夾角達到15°時，六邊形就會沿著正方形的對角線對稱。而夾角為7.5°時，六邊形在正方形平面中是最不對稱的。我們認為是邊界細胞導(dǎo)致了這種不對稱性，因為邊界細胞“搭載”著環(huán)境中墻壁位置的信息。
對于頭部方向細胞，我們只知道它們和網(wǎng)格細胞在同一個神經(jīng)回路，可能向網(wǎng)格細胞實時提供有關(guān)方向的信息，而速度細胞則可能為網(wǎng)格細胞實時更新移動速度的信息。所以，當我走出0.5米時，與此距離匹配的網(wǎng)格細胞會被激活，每走一步都是如此。這些還只是我們眼下的粗略推測，要搞清大腦導(dǎo)航系統(tǒng)的整體機制，仍有大量工作要做。
目前你們團隊發(fā)布的研究結(jié)果主要源自大鼠，那在其它哺乳動物中，導(dǎo)航系統(tǒng)有哪些不同？
莫澤：目前我們在大鼠、小鼠、蝙蝠、猴子和人類大腦中都發(fā)現(xiàn)了網(wǎng)格細胞。這幾個物種在系統(tǒng)發(fā)生樹上的位置隔得非常遠。從進化學(xué)上來說，小鼠和大鼠比較接近，而蝙蝠則完全屬于另一個分支，它們不是會飛的老鼠。但是，當蝙蝠在平面爬行時，大腦中激活的網(wǎng)格細胞和老鼠非常相似。猴子的情況則不太一樣。猴子的網(wǎng)格細胞不僅會隨運動被激活，還會隨眼睛看的地方不同而被激活，即使它們沒有移動位置。但總的來說，網(wǎng)格細胞在這些不同種類的動物中還是非常相似的，所以我相信導(dǎo)航系統(tǒng)可能在哺乳類動物進化的早期就已經(jīng)出現(xiàn)。
當然，人類不僅擁有語言，還有想象力，可以對尚未發(fā)生的事情做出預(yù)測，規(guī)劃想去的地方并設(shè)計路線，情況與其它動物完全不同。不過我仍然認為，哺乳動物中導(dǎo)航系統(tǒng)的根基是相同的，即都是依靠網(wǎng)格細胞、頭部方向細胞、邊界細胞、速度細胞等進行工作，而隨著一些更高級的大腦結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，導(dǎo)航系統(tǒng)也會與它們協(xié)同工作。
這些細胞真的很神奇，你覺得這方面的研究未來會有什么應(yīng)用？能否用于治療阿爾茨海默病或自動導(dǎo)航機器人？
莫澤：有很多潛在應(yīng)用。首先說與人類大腦有關(guān)的。網(wǎng)格細胞位于人腦的內(nèi)嗅皮層中，而阿爾茨海默病最先影響的就是這個腦區(qū)。在病人出現(xiàn)任何可識別的癥狀之前，這一腦區(qū)就已經(jīng)開始縮小。如果我們對網(wǎng)格細胞及導(dǎo)航系統(tǒng)有更深的理解，就能對阿爾茨海默病進行早期干預(yù)。對此，我充滿希望。實際上，就在大概一個月前，《科學(xué)》刊登了德國科學(xué)家的一項研究，他們已經(jīng)直接檢測到，攜帶阿爾茨海默病致病基因的自愿者大腦中，網(wǎng)格細胞的活躍度比正常人低。
至于人工智能，我認為用網(wǎng)格細胞甚至整個大腦導(dǎo)航系統(tǒng)來“武裝”人工智能設(shè)備，確實可以讓它們更好地在復(fù)雜的環(huán)境中自主運動。但人類非常擅長處理突發(fā)事件，舉個例子，當你走在機場時，你會下意識地躲避周圍的行人，并規(guī)劃出一條復(fù)雜的線路，這一點人工智能設(shè)備可能很難學(xué)會。不過，人工智能發(fā)展很快，也可能會超出想象，說不定未來，仿生大腦不僅能像人腦一樣精妙，還能同時多線程工作。
你對“我們的大腦無法理解大腦自身的運作機制”（Brain cannot understand brain）這句話怎么看？你認為人類最終可以破解大腦的運作之謎嗎？
莫澤：我認為對大腦的理解會越來越深入，至于能否達到破解的程度，則不敢斷言。人類的大腦太過復(fù)雜，但我們可以越來越了解它，這是一個量變的過程。雖然大腦長在我們身上，但神經(jīng)科學(xué)家只能通過大腦對外部刺激的反應(yīng)來理解它，而對于外部世界，我們又需要通過大腦來感受，也就是說，我們對于外部世界的理解是受限于大腦本身的。所以，科學(xué)是不斷積累的過程，我們能做的就是越來越深入地了解世界，在這一點上，不論神經(jīng)科學(xué)家還是其他領(lǐng)域的科學(xué)家都是如此。（廖紅艷 馬宏稿件來源：環(huán)球科學(xué)）