Nature：大脑GPS系统不仅仅是导航那么简单
2017-04-01 佚名 生物探索
我们如何在陌生的空间找到方向感？如何从一个地方走到另一个地方？这些技能的实现得益于大脑内配置的精妙“GPS系统”。3月29日，《Nature》期刊在线发表一篇文章证实，这一GPS系统不仅仅只是负责导航那么简单，它还参与认知、学习等任务。
3月29日，《Nature》期刊新发表一篇题为“Mapping of a non-spatial dimension by the hippocampal–entorhinal circuit”的文章，揭示发挥GPS功能的大脑区域并不仅仅只是负责导航那么简单，研究证实这些特定的大脑区域还参与认知、学习等任务。
大脑中的GPS系统
我们如何在陌生的空间找到方向感？如何从一个地方走到另一个地方？这些技能的实现得益于大脑内配置的精妙“GPS系统”。它们类似于百度地图、高德地图，负责在大脑内映射出空间地图，并指导定位和导航。
参与GPS功能的细胞有两类：海马区的位置细胞（负责构建空间地图，由John O‘Keefe发现）和内嗅皮层的网格细胞（负责定位与导航，由May-Britt Moser和Edvard I. Moser发现）。位置细胞与网格细胞相互合作，组成一条完成的神经回路。这一回路系统构成负责而精细的定位体系，即“GPS”。
借助GPS系统，我们能够感知所处位置、判断方向。2014年，这3名杰出的科学家因这一伟大成果荣获2014年度诺贝尔生理或医学奖。
不仅仅只是导航
现在，来自于普林斯顿大学神经科学研究所的科学家们发现，这一特殊回路或许不仅仅只是导航那么简单。他们证实，当大鼠大脑倾听、回应一些声音时，这些参与空间定位的细胞系统会启动同样的活跃模式。这意味着，大脑负责GPS功能的区域还参与其他更多的认知、学习功能。
研究团队关注的大脑区域被称为海马区（hippocampus），主管人类的近期主要记忆，存储几周内或者几个月内的事物，使其保持鲜明并便于提取。所以，如果海马区受损，相应的记忆能力也会丢失。最典型的病例是著名的健忘症患者Henry Gustav Molaison（H.M.），因为包括海马体在内的部分大脑区域被切除，H.M.形成新记忆的能力受到严重损害。
这一研究有望解决神经科学领域久悬未决的谜团：海马区如何同时构建外界地图和存储新的记忆？
在已有的研究中，科学家们发现，当动物在室内活动时，海马区位置细胞会处于活跃状态。文章第一作者、普林斯顿大学神经科学研究所博士后（现任哥伦比亚大学神经科学助理教授）Dmitriy Aronov好奇的是：这些活跃细胞如何与记忆关联？
团队负责人、普林斯顿大学神经科学研究所的主任David Tank教授推测，可能是因为包括位置细胞、网格细胞在内的GPS系统并不专属于定位、导航。它们还参与其他的认知活动，例如学习、记忆，而空间定位、构建地图仅仅只是这些特定区域功能的“冰山一角”。
他们认为，之前的研究之所以仅仅只揭开了定位功能，可能是因为参与试验的老鼠们花费大部分时间探索新环境以便寻找到食物。
为了验证他们的假设，研究人员选择让大鼠倾听声音，并在特定频率下做出响应。他们通过记录海马-内嗅皮层区域神经元的活动，寻找GPS系统负责记忆、学习功能的证据。
Tank和Aronov与2018届本科生Rhino Nevers一起完成了相关试验：首先，他们训练大鼠按压杠杆，以增加声音的频率。当声音频率达到最高值，通过奖励机制训练它们放掉杠杆。
在这期间，研究人员记录它们大脑相应区域的活动模式。结果显示，探索声音的大脑活动模式与探索空间环境类似。而且，参与声音认知活动的神经元与负责导航的神经细胞一致，包括海马区的位置细胞、内嗅皮层的网格细胞。
这些研究结果表明，海马区-内嗅皮层系统有共同的机制参与不同类型的任务。“我们的研究意味着，这些负责导航的大脑区域并不仅仅只限于空间定位。当你位于新环境中，大脑不仅仅只是构建地图，它还会对你所在位置进行记忆。这一研究回答了海马区同时记忆、定位的谜团。”
原始出处：
Aronov D， Nevers R， Tank DW.Mapping of a non-spatial dimension by the hippocampal-entorhinal circuit.Nature. 2017 Mar 29.
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