May-Britt Moser和Edvard I. Moser这对夫妇就是试图解决这个问题的众多科学家中的两位。他们在攻读博士期间就已经开始接触海马体,到挪威科技大学任教之后就加入到位置细胞信息来源的探索之中。为了确定探索的方向,他们首先设计了一个实验——事后看来,这个决定实在是相当重要——用药物以及手术的方式把先前大家在海马体中发现的、接受大部分信号的部分破坏掉,断开它们与海马体中包括位置细胞在内的其他部分的连接,然后观察位置细胞是否还能正常工作。结果表明,虽然大鼠记忆位置的能力发生了障碍,但位置细胞本身辨识位置的活动并没有受到多少影响[11]。虽然这一结论无法完全否定当时大多数人接受的“自产自销”假说(位置细胞仍然有可能通过其他途径获得原始信号,并自行计算处理产生信息),但仍然是一个不小的挑战。也正是基于这个结论,Moser夫妇开始在海马体以外寻找位置细胞信息可能的来源。当他们测量内嗅皮质不同位置的信号时,发现了一种候选对象。
Moser夫妇在内嗅皮质中发现的细胞之所以说是候选对象,是因为其活动也跟大鼠的所在位置有关,但它们跟海马体中的位置细胞有一个重要的区别:位置细胞通常对应的实际区域只有一块,少数会对应两块;但内嗅皮质中的“位置细胞”则往往有好多块对应区域,四块、五块都不稀罕。但不管怎样,这一结果在2004年发表之后,可以确定的是,内嗅皮质中的这些细胞也包含了一定的位置信息。这就意味着外来信号的猜想很可能是正确的,海马体中位置细胞获得的很可能是已经经过一定加工处理的信息[12]。
本来,这似乎就足够回答先前提出的问题了,但是,Moser夫妇接下来的实验发现了一件更有趣的事情。
没有比例尺的地图不是好地图
从O’Keefe开始,大家在研究位置细胞的时候,给大鼠搭建的舞台都不是特别大,Moser夫妇一开始搭的舞台同样如此。对应区域不多的时候,小舞台看上去并没有太大的问题;但新的“位置细胞”对应的区域多到好几个,小舞台提供的信息就比较有限了。很多区域在舞台上只显示出了一部分,更不用说区域与区域之间的关系了。于是,Moser夫妇便在后续实验中搭出了比原先大得多的舞台供大鼠活动。这才发现,原来“位置细胞”对应的区域是按照六角网格的形式排列的,换言之,它们对应的并不是一个或者几个特定的区域,而是一整套等间距排列区域组成的网格。就这样,这些内嗅皮质的“位置细胞”有了它们现在的名字——“网格细胞”[13]。(参见图3)
图3. 网格细胞。大鼠的网格细胞位于内嗅皮质中(左),当舞台不大的时候网格细胞的就像有多个对应位置一样(中),但是当扩大舞台之后就能够发现网格细胞的对应位置其实是一个六角形的网格(右)。
Moser夫妇的研究表明,位于内嗅皮质中不同位置的的网格细胞,其对应的网格间距以及每个格点的大小也不相同,而且当旋转外界环境的时候,网格的方向也会跟着旋转。如果将大鼠放在舞台上,然后把灯都关了,就会发现即使在黑暗中,大鼠的网格细胞仍然能够保持它们对应的网格不发生多少变化。这些性质都跟位置细胞组成的脑内地图非常相似[14]。
然而,把大鼠放进一个崭新的环境之后的记录表明,网格细胞似乎不需要探索,在进入环境之后立刻就能建立起新的网格来[13]。这说明网格细胞似乎本身就有形成网格的趋势,并不需要借助处理感觉或者肢体运动传入的信号来完成。这样一来,网格细胞便能够在动物熟悉新环境的时候,提供必要的距离信息。可以说,他们在寻找脑中地图来源的过程中,发现这张地图上原来还印了比例尺和经纬网格。
O’Keefe对位置细胞的研究一直在继续着。因为有些位置细胞的对应位置跟两面墙的距离有关,于是他提出了这些细胞另一个可能的信息来源:大鼠的脑中可能有一些专门用于测量与墙壁等边界距离的细胞,他管它们叫做“边界细胞”,而这些位置细胞的对应位置则是通过对这些边界细胞的信号进行计算而来[15]。在提出了边界细胞这一假说之后,O’Keefe、Moser夫妇[16]以及其他科学家[17]率领的科研团队,都分别在海马体周围的不同区域找到了这样的细胞。就这样,脑中地图上印的边界被找了出来。
除去位置细胞、网格细胞和边界细胞以外,纽约州立大学的James Ranck还找到了另一种跟脑中地图相关的细胞。它们的活动只跟大鼠的脑袋朝向有关,于是被称作“头部方向细胞”[18],这也就成了脑中地图上的指北针。这下,至少我们手上的这张地图,可以说算是图例完善,清楚得多了。
尚未完结的探索之旅
如今,神经科学家们手上的工具比起O’Keefe刚发现位置细胞时,无疑是要先进得多了。电极技术的进步使我们大大提高了记录脑活动的精度和一次可以记录的数量;其他各种观测手段(如脑功能性核磁共振扫描[19])的出现,既使我们能够同时获得大范围的脑部活动情况作为对照,又因为很多方法并不需要进行手术,使得观察人类的脑部活动变得更加方便;光遗传学方法的出现,更是让科学家们能够利用一根植入转基因大鼠脑部的光纤,选择性地激活指定的神经元,这比起原先只能观察神经活动的技术而言,更是巨大的飞跃[20]。
有了这些方法之后,探索脑中地图的科学家们如虎添翼。他们先在其他哺乳动物(包括人类)的海马体以及内嗅皮质中找到了位置细胞和网格细胞,然后又进一步确立了海马体在人类定位过程中的重要作用