大腦導航

地圖導航的原理就像是我們大腦的原理，有了一個點然後根據方位去找位置。

基本介紹

• 中文名：大腦導航
• 外文名：Brain Mapping

概述

站在一個陌生的城市中央，四周環繞著各式高層建築，頭頂呼呼生風。你無奈的拿出地圖，比對著一條條縱橫的街道，尋找自己的定位。這正像我們的大腦此時的工作：啟動各個“導航細胞”， 相當於地圖、方格和指南針，幫我們找到方向。

使用地圖的：展開地圖，根據街道名稱或者城市坐標找到並記錄自己所在的位置。然後尋找到北方，並將地圖向上的一面指向北方，來尋找方向。之後迅速的在心中規劃到達目的地採用的路徑。

這也正是大腦工作的方式。

科學研究

大腦中的定位系統

大腦中存在三種“導航細胞”： “位置細胞(Place cells)” 繪製我們所處地點的地圖，當他們經過某地時向我們指出所在位置。“頭部方向細胞(head direction cells )”，就像一個指南針，告訴我們朝哪個方向前進。而“格線細胞(grid cells)”則通過一個類似航海中使用的經緯儀告訴我們已經行進的距離。

1970年，倫敦大學學院University College London的O’Keefe等研究人員在大鼠的海馬區首先發現了位置細胞(place cells)。他們把電極記錄器安置在大鼠的大腦海馬區，然後讓大鼠在一個它陌生的房間自由走動。這時，大鼠腦中的位置細胞會根據它所在的位置而選擇性的興奮。只有當大鼠活動到房間的特定位置，特定的位置細胞才會興奮。這就好像給予了每個坐標一個記憶，這樣大腦才能記住我們曾經到過哪些地方。

有趣的是，當把這隻大鼠放到另外一個新的房間時，它會自動的將新房間的“地圖”重新繪製一遍。這樣，相對有限的大腦皮層細胞就可以記住不斷出現的新鮮環境了。

O’Keefe的同事們對這個發現十分歡喜，但是同時，他們也意識到，除了位置細胞以外，大腦必然還存在著其他作用的“導航細胞”，比如計算距離，還有感知方向。於是他們開始有的放矢地來尋找這些細胞。1980年，紐約大學的James Ranck等人發現了期待中的另一種細胞：頭部方向細胞。這些細胞能夠辨別頭部朝向的方向。比如，當頭部朝向北方的時候，一組細胞會興奮；而頭部轉向南方時，另一組細胞興奮。

有趣的是，方向細胞並不是利用磁場也不是通過單純的外界刺激輸入來感受方向的，而是通過前庭系統（vestibular system）。這個系統能夠負責身體的平衡，綜合眼睛，關節和內耳的信息，方向細胞也正是利用了這一系統來產生特定興奮的。

但是，光有位置定位和方向感知，還是不夠的。如果在A和B位置之間有多條路線，大腦是如何知道身體行進的路徑的呢？這就需要後來發現的第三種“導航細胞”——格線細胞。

由於之前的實驗一直將大鼠放在相對狹小的房間之內，位置細胞的興奮一直掩蓋了格線細胞的興奮。所以直到2004年，格線細胞才被亞利桑那州大學的科學家 Edvard Moser帶領的小組發現。他們把大鼠安置於一個比普遍使用的實驗房間規格大一倍的實驗室內，成功發現了格線細胞獨特的興奮方式——正三角形格線興奮。興奮的細胞呈正三角形分布，其作用類似於地圖中經線和緯線劃出的正方形格子，將環境的位置標記到大腦中。

格線細胞的正三角形分布

格線細胞的作用就是建立坐標系，讓所有的位置信息都可以坐標化。讓我們回到拿地圖找路的那個例子吧。對於大多數地圖來說，我們完全可以用橫橫豎豎圍棋一樣的格線把所有的地點標記出來，橫向記作A-Z的字母，縱向記作1-9的數字，那么，市政廳可能在D4的格線內，而家門口的學校可能在A2的格線內。對於大腦來說，不同的環境使用的都是同一張格線，但是格線內的內容決定了存入大腦的信息。比如，我去到北京的天安門，或者上海的外灘，天安門和東方明珠電視塔在格線中的位置可能都是A5，但是“天安門”=“北京”，“東方明珠”=“上海”，然後把這樣的信息存入大腦，可以隨時調取使用。

雖然格線細胞可以給所有信息一個坐標，但是將這樣的信息長期保存還需要大腦海馬區的記憶儲存功能配合。阿爾茲海默症等海馬區退化的病人就常常會伴隨迷路的症狀，就是和三種“導航細胞”退化，以及海馬區記憶功能減退有關。