亚洲 a v无 码免 费 成 人 a v,性欧美videofree高清精品,新国产三级在线观看播放,少妇人妻偷人精品一区二区,天干天干天啪啪夜爽爽av

因在大腦中發(fā)現(xiàn)了構(gòu)成定位系統(tǒng)的細(xì)胞而獲得了2014年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

于茗騫

●             　●             　●

導(dǎo)航——如何從一個(gè)地方到另一個(gè)地方，是對動(dòng)物來說最基本和最重要的技能之一，對人類也是如此。為了成功地導(dǎo)航，動(dòng)物需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)關(guān)于外部環(huán)境的內(nèi)在“認(rèn)知地圖”。這由大腦中一個(gè)特定的系統(tǒng)負(fù)責(zé)，包含幾個(gè)大腦區(qū)域和各種類型的細(xì)胞，在導(dǎo)航中每個(gè)部分都有其獨(dú)特的作用。

在這篇文章中，我將概述這個(gè)內(nèi)部導(dǎo)航系統(tǒng)的一些主要組成部分，重點(diǎn)關(guān)注網(wǎng)格細(xì)胞。這是我們發(fā)現(xiàn)的一類神奇的神經(jīng)細(xì)胞，能在大腦中創(chuàng)建一個(gè)坐標(biāo)系。最后，我將根據(jù)我自己的生活經(jīng)驗(yàn)，提供一些綜合性建議。

一提到導(dǎo)航時(shí)，你想到的第一件事是什么？是大家手機(jī)里都有的定位系統(tǒng)？還是一段潛艇駛達(dá)目的地的水下旅程？或者是童子軍在夜晚找到回到營地的的團(tuán)隊(duì)任務(wù)？如果我告訴你，你的大腦有一個(gè)內(nèi)置的導(dǎo)航系統(tǒng)，負(fù)責(zé)明確你在當(dāng)下的位置，然后發(fā)揮向?qū)ё饔?，這樣你就可以成功地從一個(gè)地方走到另一個(gè)地方呢？這種在頭腦中對環(huán)境的認(rèn)識(shí)通常被稱為認(rèn)知地圖（cognitive map）。

雖然導(dǎo)航看起來再自然不過，但大腦的導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)際上相當(dāng)復(fù)雜，由幾個(gè)大腦區(qū)域和各種類型的細(xì)胞組成。這篇文章將帶你一起破解導(dǎo)航這一謎題，最后，我們會(huì)把目標(biāo)鎖定到大腦中一個(gè)非常特殊的神經(jīng)細(xì)胞系統(tǒng)，那就是網(wǎng)格細(xì)胞（grid cells）。正是這個(gè)定位系統(tǒng)讓我們榮膺2014年的諾貝爾獎(jiǎng)。

如果我們要開始導(dǎo)航的話，第一步需要做什么？你猜對了！你需要知道你當(dāng)前所處的位置。你能想出一種方法來讓大腦確定你現(xiàn)在的位置嗎？我會(huì)給你一個(gè)提示——這與你手機(jī)里的GPS定位的方式不同。

正如你所知，GPS使用至少四顆不同的環(huán)繞地球軌道的衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)。利用基于高等物理學(xué)的數(shù)學(xué)計(jì)算，你的手機(jī)能用這些衛(wèi)星信號(hào)來非常準(zhǔn)確地確定你的位置。但是，大腦是否會(huì)從外界接收信號(hào)來確定你的位置呢？答案是否定的。那么，你的大腦是如何確定你在哪里呢？在繼續(xù)讀下一段之前，不如先試著想出至少兩個(gè)可能的解決方案。

事實(shí)證明，在大腦中，有些神經(jīng)細(xì)胞表征了你的位置，這些被稱為位置細(xì)胞（place cells）。1971年，兩名叫約翰·奧基夫（John O'Keefe）和約翰·多斯特羅夫斯基（John Dostrovsky）的研究人員在研究大鼠大腦的電活動(dòng)[1]。在觀察一個(gè)叫做海馬體的大腦區(qū)域時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)動(dòng)物處于周圍環(huán)境中的特定位置時(shí)，某些神經(jīng)細(xì)胞就會(huì)變得活躍起來，并以高速率發(fā)射電信號(hào)（圖1）。當(dāng)大鼠在不同的位置時(shí)，其他的位置細(xì)胞就會(huì)被激活。

換句話說，如果你站在房間里的一個(gè)特定位置，在你的海馬體中有一個(gè)特定的位置細(xì)胞會(huì)非常活躍，正是這個(gè)細(xì)胞讓你知道你所處的位置。這些位置細(xì)胞的電活動(dòng)是如此精確，以至于如果我們同時(shí)記錄100個(gè)位置細(xì)胞的活動(dòng)一段時(shí)間，我們就可以準(zhǔn)確地預(yù)測出一只大鼠在5厘米內(nèi)的位置！這非常厲害，因?yàn)檫@些細(xì)胞在大腦深處，遠(yuǎn)離感官；它們沒有眼睛、耳朵或任何其他感覺器官，那么這些位置細(xì)胞是如何獲取關(guān)于環(huán)境的信息呢？

大鼠和人類大腦的海馬體中都有位置細(xì)胞（淺棕色）。盒子中的白線表示大鼠在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)路徑。紅色區(qū)域表示海馬體中特定的位置細(xì)胞（大鼠海馬體上的黑點(diǎn)）變得強(qiáng)烈活躍起來。這是這個(gè)特定的位置細(xì)胞所表征的位置。當(dāng)大鼠在不同的位置時(shí)，不同位置細(xì)胞被激活；它們一起構(gòu)建了一個(gè)關(guān)于當(dāng)下環(huán)境的內(nèi)在認(rèn)知地圖。

假設(shè)，一個(gè)特定的位置細(xì)胞讓你知道你站在哪。然后，你步行一段時(shí)間，使用另一個(gè)位置細(xì)胞來確定新位置。但是你怎么知道這兩個(gè)地點(diǎn)之間的距離呢？換句話說，你如何知道這兩個(gè)地點(diǎn)的相對位置？

首先，試著考慮一下你需要知道什么信息來計(jì)算兩點(diǎn)之間的距離。如果我告訴你我要走2分鐘，你能確定我走了多遠(yuǎn)嗎？沒錯(cuò)，你需要知道我的步行速度。大腦在速度細(xì)胞（speed cells）的幫助下解決了這個(gè)問題[2]，它會(huì)讓你知道你的移動(dòng)速度。這些細(xì)胞不在海馬體，而是位于一個(gè)截然不同的被稱為內(nèi)嗅皮層（entorhinal cortex）的大腦深部區(qū)域。

如果你知道我的起始位置，我的步行速度，以及我走了多久，你能知道我現(xiàn)在哪里嗎？還是需要額外的信息？比如，如果你知道起點(diǎn)和終點(diǎn)相距100米，你能知道我在起點(diǎn)周圍的半徑為100米的圓上的位置嗎（圖2）？答案是否定的。

你需要的額外信息是方向。大腦也有頭朝向細(xì)胞（head direction cells），這在大腦的數(shù)個(gè)區(qū)域均可被發(fā)現(xiàn)[3]。當(dāng)這些細(xì)胞活躍時(shí)，動(dòng)物能知道自己的移動(dòng)方向。因此，知道你的初始位置，步行速度和時(shí)間，以及步行的方向，你可以準(zhǔn)確地判斷你現(xiàn)在相對于起點(diǎn)的位置（圖2）。

從一個(gè)給定的位置（通過位置細(xì)胞確定）出發(fā)，并以每分鐘50米的速度走2分鐘，你就知道你總共走了100米。但是你能確定你在周圍半徑為100米的圓上的確切位置嗎？并不能！（藍(lán)色虛線）。為此，你需要頭朝向細(xì)胞，它確定了你的頭部朝向（紅色虛線）。

這是一個(gè)困難但很有價(jià)值的謎題。要從位置A導(dǎo)航到位置B，我們發(fā)現(xiàn)只要知道初始位置、速度、時(shí)間和運(yùn)動(dòng)方向就足夠了。然而，令許多大腦研究人員驚訝的是，大腦使用了一個(gè)額外的和驚人技巧來解決導(dǎo)航問題。我會(huì)給你一個(gè)提示：它與地圖上的坐標(biāo)系有關(guān)。這個(gè)大腦系統(tǒng)被稱為網(wǎng)格細(xì)胞（grid cell）系統(tǒng)。

網(wǎng)格細(xì)胞系統(tǒng)位于大腦的中部，比耳朵位置略低，在一個(gè)被稱為內(nèi)嗅皮層的大腦深層區(qū)域（圖3紫色區(qū)域），該區(qū)域靠近海馬體。不同的是，海馬體位置細(xì)胞在動(dòng)物通過一個(gè)特定的位置時(shí)變得活躍，而網(wǎng)格細(xì)胞在許多位點(diǎn)均變得活躍（圖3）。

最令人驚訝的是，這些位點(diǎn)形成了一個(gè)對稱的和極其精確的晶體狀圖案，其特征是中心位點(diǎn)與最近鄰點(diǎn)以等邊三角形連接。這些位點(diǎn)被稱為坐標(biāo)，形成一個(gè)六邊形（六邊多邊形）網(wǎng)格，因此，我們決定將這些細(xì)胞命名為網(wǎng)格細(xì)胞[2]。需要強(qiáng)調(diào)的是，網(wǎng)格細(xì)胞的坐標(biāo)圖案是在大腦內(nèi)產(chǎn)生的，外部世界里并不存在。

圖3：內(nèi)嗅皮層的網(wǎng)格細(xì)胞在多個(gè)位置被激活，在大腦中形成一個(gè)對稱的坐標(biāo)系。

網(wǎng)格細(xì)胞位于大腦的一個(gè)被稱為內(nèi)嗅皮層的區(qū)域（紫色）。盒子中的白線表示老鼠在環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)路徑。同一個(gè)網(wǎng)格細(xì)胞在大鼠運(yùn)動(dòng)路徑上的多個(gè)位置（紫色圓圈）產(chǎn)生電活性。網(wǎng)格細(xì)胞激活的位置處于在一個(gè)高度對稱的六角形網(wǎng)格中。

每個(gè)網(wǎng)格細(xì)胞都會(huì)形成一套獨(dú)特的坐標(biāo)模式，相對于附近其他網(wǎng)格細(xì)胞形成的坐標(biāo)移動(dòng)。通過這種方式，整個(gè)環(huán)境被網(wǎng)格圖案所覆蓋（圖4A）。只有一個(gè)網(wǎng)格細(xì)胞也不能確定動(dòng)物在哪里，因?yàn)槊總€(gè)網(wǎng)格細(xì)胞在多個(gè)位置都是活躍的，這些位點(diǎn)從而形成一個(gè)網(wǎng)格。

但是，由于不同網(wǎng)格細(xì)胞之間的位置變化，以及網(wǎng)格的不同尺度（圖4C），可以使用幾個(gè)細(xì)胞的重疊網(wǎng)格，非常精確地確定動(dòng)物的當(dāng)前位置[3]。這些網(wǎng)格圖案可以作為大腦內(nèi)的坐標(biāo)圖，也可以用于測量空間中不同點(diǎn)之間的距離，這是導(dǎo)航的必要條件（圖4B）。

我們發(fā)現(xiàn)，即使動(dòng)物在黑暗中行走時(shí)，網(wǎng)格細(xì)胞的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)也仍然存在[4]。我們發(fā)現(xiàn)，為了將網(wǎng)格投射到在動(dòng)物所處的特定環(huán)境中（一個(gè)大房間還是小房間？），動(dòng)物會(huì)使用感官信息，特別是視覺信息，如房間里墻壁上的線索和墻壁的位置。當(dāng)墻壁上的線索被旋轉(zhuǎn)時(shí)，網(wǎng)格圖案就會(huì)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)其中一面墻壁被移動(dòng)使得房間變大或變小時(shí)，網(wǎng)格可能會(huì)擴(kuò)大或收縮。

有趣的是，在內(nèi)嗅皮層上，不同深度的網(wǎng)格細(xì)胞表征的是同種環(huán)境，不過是在不同尺度上[4]。位于內(nèi)嗅皮層背側(cè)（上）部分的網(wǎng)格細(xì)胞構(gòu)成了一把精細(xì)的標(biāo)尺，在相距約25厘米的近距離物理位置激活（圖4C，右上角），而更深的（腹側(cè)）網(wǎng)格細(xì)胞則構(gòu)成了一把粗糙的標(biāo)尺[1] ，因?yàn)樗鼈冊诟h(yuǎn)的可達(dá)3米的位置激活（圖4C）。不同尺度的網(wǎng)格細(xì)胞都保持著相似的對稱網(wǎng)格圖案。

讓我再來告訴你一個(gè)關(guān)于網(wǎng)格細(xì)胞的神奇之處。顯然，不僅僅是大腦使用網(wǎng)格細(xì)胞進(jìn)行成功和高效的導(dǎo)航。英國倫敦DeepMind人工智能公司最近進(jìn)行了一項(xiàng)有趣的研究，研究人員向一臺(tái)學(xué)習(xí)機(jī)器提供了有關(guān)頭部方向和速度的信息，讓這臺(tái)機(jī)器學(xué)會(huì)在一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的新環(huán)境中導(dǎo)航。經(jīng)過學(xué)習(xí)，這臺(tái)機(jī)器在導(dǎo)航方面已經(jīng)可以勝過人類。令人驚訝的是，這臺(tái)機(jī)器還自發(fā)地創(chuàng)造出帶有網(wǎng)格圖案的人造單元——與大腦中的網(wǎng)格細(xì)胞非常相似[5]。

這告訴了我們什么？即使網(wǎng)格細(xì)胞圖案是進(jìn)化過程中“碰巧產(chǎn)生”出來的，那對導(dǎo)航來說也一定非常有用。我們知道，大腦是非常高效的，如果有一種現(xiàn)象（如網(wǎng)格細(xì)胞）幾乎是偶然產(chǎn)生的，那它可能會(huì)對動(dòng)物的生存有益。不妨這樣想：想象一下你收到了一個(gè)工具，比如螺絲刀，而你不知道它是用來做什么的。隨著時(shí)間的推移，你可能會(huì)嘗試在不同的情況下使用螺絲刀，最終你會(huì)發(fā)現(xiàn)它很有用，對吧？這對大腦也適用：它探索如何使用擁有的所有工具，并找到這些工具有利于動(dòng)物生存的方法。

圖4：網(wǎng)格細(xì)胞坐標(biāo)下的環(huán)境。

（A）三個(gè)網(wǎng)格細(xì)胞（綠色、藍(lán)色和紅色），同時(shí)記錄了大鼠在圓形環(huán)境中運(yùn)動(dòng)時(shí)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。藍(lán)色細(xì)胞的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)用淺藍(lán)色的六邊形突出顯示。這三個(gè)細(xì)胞具有相同的網(wǎng)格間距和方向，但在空間上位置不同。

（B）網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可以作為環(huán)境認(rèn)知地圖的坐標(biāo)系統(tǒng)。

（C）位于內(nèi)嗅皮層背側(cè)（上）的網(wǎng)格細(xì)胞（紫色）代表精細(xì)尺度（右上角的密集網(wǎng)格），而腹側(cè)（更深層次的）網(wǎng)格細(xì)胞構(gòu)成了粗糙的標(biāo)尺（右下的稀疏網(wǎng)格）。

網(wǎng)格細(xì)胞共同形成了內(nèi)部坐標(biāo)圖，憑借于此，動(dòng)物可從一個(gè)位置導(dǎo)航到另一個(gè)位置。網(wǎng)格細(xì)胞與位置細(xì)胞同其他類型的細(xì)胞協(xié)同工作，如頭部方向細(xì)胞和速度細(xì)胞。該導(dǎo)航系統(tǒng)還集成了來自感官的信息，結(jié)合環(huán)境信息一起校準(zhǔn)內(nèi)部地圖。大腦中的這整套導(dǎo)航系統(tǒng)能夠讓我們平穩(wěn)圓滑地完成導(dǎo)航任務(wù)。

雖然我們已經(jīng)對這個(gè)迷人的大腦系統(tǒng)有了很多了解，但它的很多方面仍是未知的。例如：注意環(huán)境中或記憶中的線索會(huì)如何影響導(dǎo)航系統(tǒng)？動(dòng)物在導(dǎo)航時(shí)，自身的體積是如何被計(jì)入的？及在一個(gè)患病的大腦中，導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)發(fā)生怎樣的變化？比如阿爾茨海默病導(dǎo)致的內(nèi)嗅皮層細(xì)胞死亡，從而喪失導(dǎo)航能力。

另一個(gè)令人興奮的問題是，動(dòng)物和外部物體之間的距離和方向是如何在內(nèi)嗅皮層中編碼的，以及這些細(xì)胞是否也能編碼像足球比賽中的球一樣移動(dòng)的物體[6]。如果你想成為腦科學(xué)家，那這些具有挑戰(zhàn)性的重要問題可能會(huì)出現(xiàn)在你的科學(xué)之旅中。

年輕的朋友們，你們應(yīng)該知道，沒人會(huì)知道長大之后的生活什么樣。我相信，重要的是要保持你對事物的好奇心，無論是現(xiàn)在還是成年之后，找到你的熱愛，找到你那些讓你感到激情和活力的事物。熱愛才是問題的關(guān)鍵——你可能熱愛的是數(shù)學(xué)、物理、舞蹈、寫作或其他任何東西。你應(yīng)該始終遵從這個(gè)內(nèi)在的驅(qū)動(dòng)力，并圍繞你的優(yōu)勢和熱愛來建立你的生活。這才是生活的最優(yōu)解。

很多人會(huì)告訴你該做什么，以及為什么要這樣做——因?yàn)檫@樣你就可以賺錢，或者出名，或者你可以獲得諾貝爾獎(jiǎng)……但不要聽他們的。走你覺得適合你的道路。它可能是任何讓你充實(shí)的東西，你喜歡的東西，你能掌握的東西。對于我來說，我對事物非常好奇，理解事物對我來說非常重要。當(dāng)我理解了一些我以前不理解的東西時(shí)，就會(huì)非?？鞓贰@是我的核心動(dòng)力。

最后，作為一個(gè)獲得諾貝爾獎(jiǎng)的女性，我必須強(qiáng)調(diào)的是，當(dāng)你找到你所熱愛的事物時(shí)，你的性別并不重要。我總是認(rèn)為自己就是一個(gè)人，當(dāng)我成為一名科學(xué)家時(shí)——我就是一名科學(xué)家。對于我是一個(gè)女性的事實(shí)我并沒有想太多。我認(rèn)為自己是一個(gè)非常幸運(yùn)的科學(xué)家，工作非常努力，而且有很棒的合作者。這最終讓我贏得了諾貝爾獎(jiǎng)。

雖然對于追求來說，性別無關(guān)緊要，但我們都應(yīng)該意識(shí)到，在一些特定的環(huán)境中，人們確實(shí)試圖把女性推到一邊。在這些環(huán)境中，我們所有人，不論男性還是女性，都應(yīng)該強(qiáng)烈支持女性或其他少數(shù)群體。

致謝：

本文的采訪和部分寫作由以色列理工學(xué)院Grand Technion Energy Program畢業(yè)生Noa Segev完成。同時(shí)感謝 Yoram Burak 教授的評述。

審稿人：

以色列，KIRIAT BIALEK，ORT DAFNA高中，14-15歲。

該班的學(xué)生學(xué)習(xí)物理、生物學(xué)，數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)。

參考文獻(xiàn)：