发现大脑“gps”细胞的诺奖得主:什么是生活的最优解?
目前,该合集收录以下文章:
《我们如何找到自己的路?大脑里的网格细胞》 – 2014年诺贝尔生理或医学奖得主,迈-布里特·莫泽(may-britt moser)
– 2013年诺贝尔化学奖得主,迈克尔・莱维特(michael levitt)
– 2011年诺贝尔化学奖得主,达尼埃尔·谢赫特曼(dan shechtman)
《生命的转录:从dna到rna》 - 2006年诺贝尔化学奖得主,罗杰·科恩伯格(roger d. kornberg)
《蛋白质的靶向降解:泛素系统》 – 2004年诺贝尔化学奖得主,阿龙·西查诺瓦(aaron ciechanover)
和所有在fym发表的文章一样,五位诺贝尔奖得主作者们同样需要用孩子的语言对文章进行改写,随后由8-15岁的青少年审稿人出具审稿报告,通过后文章才可以发表,以确保文章易于理解并有趣。
来自瑞士的一位13岁的青少年审稿人分享了他的看法:"我对科学非常感兴趣,能审核来自真正的科学家的稿件,这件事情真的很有意思! 许多论文向儿童阐述了一些危险的疾病,我认为这些信息太重要了!"
该合集的作者之一,2004年诺贝尔化学奖得主aaron ciechanover说:“奖项与认可不是人们追求的最终目标,把知识传递到世界各地并造福人类,才是作为科学家的伟大成就。我从小就喜欢阅读科学知识,我想在那个时候,我心里就埋下了科学好奇心的种子。”
我们是如何找到路的?大脑中的网格细胞
作者
梅·布莱特·莫索尔(may-britt moser)
挪威科技大学医学技术研究中心,记忆生物学中心
因在大脑中发现了构成定位系统的细胞而获得了2014年的诺贝尔生理学或医学奖。
于茗骞
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导航——如何从一个地方到另一个地方,是对动物来说最基本和最重要的技能之一,对人类也是如此。为了成功地导航,动物需要创建一个关于外部环境的内在“认知地图”。这由大脑中一个特定的系统负责,包含几个大脑区域和各种类型的细胞,在导航中每个部分都有其独特的作用。
在这篇文章中,我将概述这个内部导航系统的一些主要组成部分,重点关注网格细胞。这是我们发现的一类神奇的神经细胞,能在大脑中创建一个坐标系。最后,我将根据我自己的生活经验,提供一些综合性建议。
一提到导航时,你想到的第一件事是什么?是大家手机里都有的定位系统?还是一段潜艇驶达目的地的水下旅程?或者是童子军在夜晚找到回到营地的的团队任务?如果我告诉你,你的大脑有一个内置的导航系统,负责明确你在当下的位置,然后发挥向导作用,这样你就可以成功地从一个地方走到另一个地方呢?这种在头脑中对环境的认识通常被称为认知地图(cognitive map)。
虽然导航看起来再自然不过,但大脑的导航系统实际上相当复杂,由几个大脑区域和各种类型的细胞组成。这篇文章将带你一起破解导航这一谜题,最后,我们会把目标锁定到大脑中一个非常特殊的神经细胞系统,那就是网格细胞(grid cells)。正是这个定位系统让我们荣膺2014年的诺贝尔奖。
如果我们要开始导航的话,第一步需要做什么?你猜对了!你需要知道你当前所处的位置。你能想出一种方法来让大脑确定你现在的位置吗?我会给你一个提示——这与你手机里的gps定位的方式不同。
正如你所知,gps使用至少四颗不同的环绕地球轨道的卫星发出的信号。利用基于高等物理学的数学计算,你的手机能用这些卫星信号来非常准确地确定你的位置。但是,大脑是否会从外界接收信号来确定你的位置呢?答案是否定的。那么,你的大脑是如何确定你在哪里呢?在继续读下一段之前,不如先试着想出至少两个可能的凯发k8一触即发的解决方案。
事实证明,在大脑中,有些神经细胞表征了你的位置,这些被称为位置细胞(place cells)。1971年,两名叫约翰·奥基夫(john o'keefe)和约翰·多斯特罗夫斯基(john dostrovsky)的研究人员在研究大鼠大脑的电活动[1]。在观察一个叫做海马体的大脑区域时,他们发现,当动物处于周围环境中的特定位置时,某些神经细胞就会变得活跃起来,并以高速率发射电信号(图1)。当大鼠在不同的位置时,其他的位置细胞就会被激活。
换句话说,如果你站在房间里的一个特定位置,在你的海马体中有一个特定的位置细胞会非常活跃,正是这个细胞让你知道你所处的位置。这些位置细胞的电活动是如此精确,以至于如果我们同时记录100个位置细胞的活动一段时间,我们就可以准确地预测出一只大鼠在5厘米内的位置!这非常厉害,因为这些细胞在大脑深处,远离感官;它们没有眼睛、耳朵或任何其他感觉器官,那么这些位置细胞是如何获取关于环境的信息呢?
大鼠和人类大脑的海马体中都有位置细胞(浅棕色)。盒子中的白线表示大鼠在实验环境中的运动路径。红色区域表示海马体中特定的位置细胞(大鼠海马体上的黑点)变得强烈活跃起来。这是这个特定的位置细胞所表征的位置。当大鼠在不同的位置时,不同位置细胞被激活;它们一起构建了一个关于当下环境的内在认知地图。
假设,一个特定的位置细胞让你知道你站在哪。然后,你步行一段时间,使用另一个位置细胞来确定新位置。但是你怎么知道这两个地点之间的距离呢?换句话说,你如何知道这两个地点的相对位置?
首先,试着考虑一下你需要知道什么信息来计算两点之间的距离。如果我告诉你我要走2分钟,你能确定我走了多远吗?没错,你需要知道我的步行速度。大脑在速度细胞(speed cells)的帮助下解决了这个问题[2],它会让你知道你的移动速度。这些细胞不在海马体,而是位于一个截然不同的被称为内嗅皮层(entorhinal cortex)的大脑深部区域。
如果你知道我的起始位置,我的步行速度,以及我走了多久,你能知道我现在哪里吗?还是需要额外的信息?比如,如果你知道起点和终点相距100米,你能知道我在起点周围的半径为100米的圆上的位置吗(图2)?答案是否定的。
你需要的额外信息是方向。大脑也有头朝向细胞(head direction cells),这在大脑的数个区域均可被发现[3]。当这些细胞活跃时,动物能知道自己的移动方向。因此,知道你的初始位置,步行速度和时间,以及步行的方向,你可以准确地判断你现在相对于起点的位置(图2)。
从一个给定的位置(通过位置细胞确定)出发,并以每分钟50米的速度走2分钟,你就知道你总共走了100米。但是你能确定你在周围半径为100米的圆上的确切位置吗?并不能!(蓝色虚线)。为此,你需要头朝向细胞,它确定了你的头部朝向(红色虚线)。
这是一个困难但很有价值的谜题。要从位置a导航到位置b,我们发现只要知道初始位置、速度、时间和运动方向就足够了。然而,令许多大脑研究人员惊讶的是,大脑使用了一个额外的和惊人技巧来解决导航问题。我会给你一个提示:它与地图上的坐标系有关。这个大脑系统被称为网格细胞(grid cell)系统。
网格细胞系统位于大脑的中部,比耳朵位置略低,在一个被称为内嗅皮层的大脑深层区域(图3紫色区域),该区域靠近海马体。不同的是,海马体位置细胞在动物通过一个特定的位置时变得活跃,而网格细胞在许多位点均变得活跃(图3)。
最令人惊讶的是,这些位点形成了一个对称的和极其精确的晶体状图案,其特征是中心位点与最近邻点以等边三角形连接。这些位点被称为坐标,形成一个六边形(六边多边形)网格,因此,我们决定将这些细胞命名为网格细胞[2]。需要强调的是,网格细胞的坐标图案是在大脑内产生的,外部世界里并不存在。
图3:内嗅皮层的网格细胞在多个位置被激活,在大脑中形成一个对称的坐标系。
网格细胞位于大脑的一个被称为内嗅皮层的区域(紫色)。盒子中的白线表示老鼠在环境中的运动路径。同一个网格细胞在大鼠运动路径上的多个位置(紫色圆圈)产生电活性。网格细胞激活的位置处于在一个高度对称的六角形网格中。
每个网格细胞都会形成一套独特的坐标模式,相对于附近其他网格细胞形成的坐标移动。通过这种方式,整个环境被网格图案所覆盖(图4a)。只有一个网格细胞也不能确定动物在哪里,因为每个网格细胞在多个位置都是活跃的,这些位点从而形成一个网格。
但是,由于不同网格细胞之间的位置变化,以及网格的不同尺度(图4c),可以使用几个细胞的重叠网格,非常精确地确定动物的当前位置[3]。这些网格图案可以作为大脑内的坐标图,也可以用于测量空间中不同点之间的距离,这是导航的必要条件(图4b)。
我们发现,即使动物在黑暗中行走时,网格细胞的网格结构也仍然存在[4]。我们发现,为了将网格投射到在动物所处的特定环境中(一个大房间还是小房间?),动物会使用感官信息,特别是视觉信息,如房间里墙壁上的线索和墙壁的位置。当墙壁上的线索被旋转时,网格图案就会旋转,当其中一面墙壁被移动使得房间变大或变小时,网格可能会扩大或收缩。
有趣的是,在内嗅皮层上,不同深度的网格细胞表征的是同种环境,不过是在不同尺度上[4]。位于内嗅皮层背侧(上)部分的网格细胞构成了一把精细的标尺,在相距约25厘米的近距离物理位置激活(图4c,右上角),而更深的(腹侧)网格细胞则构成了一把粗糙的标尺[1] ,因为它们在更远的可达3米的位置激活(图4c)。不同尺度的网格细胞都保持着相似的对称网格图案。
让我再来告诉你一个关于网格细胞的神奇之处。显然,不仅仅是大脑使用网格细胞进行成功和高效的导航。英国伦敦deepmind人工智能公司最近进行了一项有趣的研究,研究人员向一台学习机器提供了有关头部方向和速度的信息,让这台机器学会在一个充满挑战的新环境中导航。经过学习,这台机器在导航方面已经可以胜过人类。令人惊讶的是,这台机器还自发地创造出带有网格图案的人造单元——与大脑中的网格细胞非常相似[5]。
这告诉了我们什么?即使网格细胞图案是进化过程中“碰巧产生”出来的,那对导航来说也一定非常有用。我们知道,大脑是非常高效的,如果有一种现象(如网格细胞)几乎是偶然产生的,那它可能会对动物的生存有益。不妨这样想:想象一下你收到了一个工具,比如螺丝刀,而你不知道它是用来做什么的。随着时间的推移,你可能会尝试在不同的情况下使用螺丝刀,最终你会发现它很有用,对吧?这对大脑也适用:它探索如何使用拥有的所有工具,并找到这些工具有利于动物生存的方法。
图4:网格细胞坐标下的环境。
(a)三个网格细胞(绿色、蓝色和红色),同时记录了大鼠在圆形环境中运动时的网格结构。蓝色细胞的网格结构用浅蓝色的六边形突出显示。这三个细胞具有相同的网格间距和方向,但在空间上位置不同。
(b)网格结构可以作为环境认知地图的坐标系统。
(c)位于内嗅皮层背侧(上)的网格细胞(紫色)代表精细尺度(右上角的密集网格),而腹侧(更深层次的)网格细胞构成了粗糙的标尺(右下的稀疏网格)。
网格细胞共同形成了内部坐标图,凭借于此,动物可从一个位置导航到另一个位置。网格细胞与位置细胞同其他类型的细胞协同工作,如头部方向细胞和速度细胞。该导航系统还集成了来自感官的信息,结合环境信息一起校准内部地图。大脑中的这整套导航系统能够让我们平稳圆滑地完成导航任务。
虽然我们已经对这个迷人的大脑系统有了很多了解,但它的很多方面仍是未知的。例如:注意环境中或记忆中的线索会如何影响导航系统?动物在导航时,自身的体积是如何被计入的?及在一个患病的大脑中,导航系统会发生怎样的变化?比如阿尔茨海默病导致的内嗅皮层细胞死亡,从而丧失导航能力。
另一个令人兴奋的问题是,动物和外部物体之间的距离和方向是如何在内嗅皮层中编码的,以及这些细胞是否也能编码像足球比赛中的球一样移动的物体[6]。如果你想成为脑科学家,那这些具有挑战性的重要问题可能会出现在你的科学之旅中。
年轻的朋友们,你们应该知道,没人会知道长大之后的生活什么样。我相信,重要的是要保持你对事物的好奇心,无论是现在还是成年之后,找到你的热爱,找到你那些让你感到激情和活力的事物。热爱才是问题的关键——你可能热爱的是数学、物理、舞蹈、写作或其他任何东西。你应该始终遵从这个内在的驱动力,并围绕你的优势和热爱来建立你的生活。这才是生活的最优解。
很多人会告诉你该做什么,以及为什么要这样做——因为这样你就可以赚钱,或者出名,或者你可以获得诺贝尔奖……但不要听他们的。走你觉得适合你的道路。它可能是任何让你充实的东西,你喜欢的东西,你能掌握的东西。对于我来说,我对事物非常好奇,理解事物对我来说非常重要。当我理解了一些我以前不理解的东西时,就会非常快乐——这是我的核心动力。
最后,作为一个获得诺贝尔奖的女性,我必须强调的是,当你找到你所热爱的事物时,你的性别并不重要。我总是认为自己就是一个人,当我成为一名科学家时——我就是一名科学家。对于我是一个女性的事实我并没有想太多。我认为自己是一个非常幸运的科学家,工作非常努力,而且有很棒的合作者。这最终让我赢得了诺贝尔奖。
虽然对于追求来说,性别无关紧要,但我们都应该意识到,在一些特定的环境中,人们确实试图把女性推到一边。在这些环境中,我们所有人,不论男性还是女性,都应该强烈支持女性或其他少数群体。
致谢:
本文的采访和部分写作由以色列理工学院grand technion energy program毕业生noa segev完成。同时感谢 yoram burak 教授的评述。
审稿人:
以色列,kiriat bialek,ort dafna高中,14-15岁。
该班的学生学习物理、生物学,数学和计算机科学。
参考文献:
关于frontiers for young minds
frontiers for young minds 创刊于2013年,是瑞士frontiers出版社专为孩子们创办的科学期刊,也是frontiers花费多年心血培育的纯公益项目。
它的运作模式和科技期刊完全相同,旨在从青少年时代即培养孩子们的科学思维,并提供与世界一流科学家交流的机会。截至目前,有大约3500名青少年审稿人参与评审,大约600名科学导师来指导他们的审稿流程。
frontiers for young minds的750篇文章已获得1000多万次浏览和下载,拥有英语、希伯来语和阿拉伯语三个版本。期刊编辑委员会目前由来自64多个国家的科学家和研究人员组成。