大腦中真的有地圖!2014年諾貝爾生醫獎


認知與心智科學中心主任楊梵孛副教授受邀至IC之音竹科廣播《似是而非》節目分享關於2014年諾貝爾生理醫學獎──大腦中的GPS定位系統。方向感真的存在嗎?我們如何認路、找路而避免迷路?方向感差是不是意味著腦袋哪裡出了問題?


十八世紀時,哲學家康德認為,人對空間的認知完全是一種天賦,跟個人經驗無關;二十世紀行為主義心理學家萊士利的理論,則是另一種極端,認為個體對空間的認知來自於視覺、聽覺的刺激,刺激愈多反應愈好,最後形成方向感。而現在這道謎題被解開了:美國科學家約翰歐基夫(John OKeefe)以及挪威科學家夫婦梅-布里特穆瑟(May-Britt Moser)和愛德華穆瑟(Edvard Moser)分別在 1971年發現大腦中的「位置細胞」以及在2005 年發現海馬迴隔壁的另一個區域「內鼻皮質」,負責產生空間導航的功能,兩者的發現拼湊出屬於每個人大腦中的 GPS定位系統。


空間感不好的人常常拘泥在所看到的表面(如:幾個路口後左轉、再開三分鐘看到白色建築物右轉),而非實際推想目標物與自身真正的相對關係,進而建立大腦的地圖。而人們仰賴GPS定位系統的原因在於,除了它能知悉物體和目標物的絕對位置,並且能在我們移動的過程中計算很多地點的相對位置,指引駕駛方向;我們要建立大腦地圖的方式亦是如此:有方向的相對觀念之後,絕對位置就變得好找,而絕對位置同時也會成為你相對方位的基準,兩者是相輔相成的!而「位置細胞」與「內鼻皮質」正好在大腦中扮演了這樣的角色。


海馬迴(hippocampus)就像一個跑馬燈。當老鼠跑到甲區的時候,跑馬燈的第三個燈泡亮了;跑到乙區的時候,第五個燈泡亮了。當抵達不同位置時,海馬迴內的「位置細胞」活化,它就像你是用你的細胞,對某個對應的位置,有特別深刻的記憶,在腦袋裡面形成一個地圖一樣,而「海馬迴」主要掌管正是記憶的形成及空間定位。而穆瑟夫婦發現老鼠移動的時候,在「內鼻皮質」的細胞它會圍起來,像一個六角形的網格,這就像是地圖上的定位點一樣。老鼠跑來跑去的時候,這個網格狀的細胞,就會一下子甲區跟乙區一起亮;老鼠跑到另一個位置的時候,丙區跟丁區一起亮,這些互相協調(coordinate)的細胞,會幫助老鼠去記得空間上的定位,像是給了我們大腦上座標系統。網格細胞與位置細胞兩者結合構成一條完整的迴路,成為大腦內置“GPS”的運轉機制。


這樣的發現提供了一個橋接了「細胞活動」和「高等認知」之間的關聯性,而作為「認知地圖」存在的神經證據,同時解決了哲學和科學上面多年的疑問:一如康德的天賦說以及萊士利感官刺激理論,反而是證實了托爾曼(Tolman)從老鼠走迷宮實驗所推論出的認知地圖概念。除此之外,「位置細胞」與「內鼻皮質」同時也被認為和記憶以及學習有著密切的關聯,兩者皆屬於巴貝茲迴路(Papez circuit)中的一環,巴貝茲迴路最早被提出與情緒相關,但後續研究發現這個迴路和阿茲症海默、帕金森氏症等疾病有關;而這兩個區域往往也是患者在得到阿茲海默時,首先發生破壞的地方。藉著對位置細胞與內鼻皮質兩個區域運作的理解,科學家和醫生可以更了解「老化」以及「神經退化性疾病」是如何使空間相關認知功能降低。


研究從1971年提出位置細胞概念至今,除共同獲獎穆瑟夫婦的網格細胞外,還持續發現更多和「定位」有關的細胞,如:邊緣細胞和頭部角度細胞,這些都是認知神經學上的進步,也不斷擴充我們對生物定位細胞的理解。然而至今,包含位置細胞和網格細胞等各種定位細胞的溝通機制,以及細胞空間定位的原理皆尚未完全釐清,這也是目前學界積極在進行的部分。

 

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