寻找脑中的地图

“路盲”这个称呼想必大家不会陌生，在城市里面迷路也不是什么奇怪的事情。但是，不管是不是“路盲”，大多数人回到家里之后，找起东西来并不需要太多的功夫：开冰箱也好，找地方坐下也罢，都不算困难的事情。而且，有些时候，我们甚至都不怎么需要眼睛帮忙也能找到熟悉的东西——否则天黑后回家开灯就会是个很严重的问题。

这种定位能力当然也不是人类的专利，人们很早就发现，很多动物都能够记住各种位置，也有意无意地利用了动物的定位能力：从最早的驯化野生动物开始，到马戏团训练各种动物表演，以及家里让宠物练习吃饭和解决卫生问题等等。尽管如此，直到上世纪后半叶，人们才开始逐渐了解了人和动物这种能力背后的生理机制。今年的诺贝尔生理学与医学奖一半授予了约翰·奥基夫（John O’Keefe），另一半授予了梅-布里特·莫泽（May-Britt Moser）和爱德华·莫泽（Edvard I. Moser），便是为了表彰他们在探索这种能力过程中所做出的贡献^[1]。那么下面我们先把时间倒回到上世纪中叶，重温一下他们的探索之旅吧。

从哪里来？到哪里去？

直到上世纪中叶，关于动物为什么能够记住某些特定的位置，科学家们仍然有很多猜测。这些猜测大致可以归为两个流派。一派认为，动物在整个探索过程中受到了各种刺激（比如看到面前有障碍），会做出各种反应（比如回避）——这个根据刺激做出反应的过程，有点类似巴甫洛夫的狗。然后，动物在反复探索中，由于某种因素（最后完成任务的时间更短、得到了其他奖励之类）使得之前一系列正确的反应得到加强。最后的结果就是：动物通过遵循之前那些被加强了的反应，“记住”了所要完成的任务。这一派我们姑且叫做“反应派”。与他们相对的另一派则认为，动物虽然在探索过程中会受到各种刺激，但它能够把从这些刺激得到的信息综合起来，先在脑中绘出一张地图，这种绘制地图的行为跟奖励无关。而之后得到奖励的行为，不外乎是发现奖励之后照着地图到达目的地的做法而已。我们可以管他们叫“地图派”。^[2]（参见图1）

图1. “反应派”对“地图派”。当把大鼠放入熟悉的舞台（迷宫），并在终点放上奖励的时候（左），两派对大鼠如何抵达最后的目的地有着不同的解释：1）反应派认为，大鼠在迷宫中的行动是由一系列刺激与反应组成的，而正确的反应在先前的训练过程中得到加强（中上），最后这些反应将会连成最后抵达目的地的路线（右上）；2）地图派则认为，大鼠在先前训练时，会先在脑中形成迷宫的地图（中下），最后走向目的地的过程只是把地图上的路线在实际中反映出来而已（右下）。

人们早已在训练大鼠完成各种给定的任务，包括走迷宫和游泳等等，然后通过控制不同的变量（比如给不给奖励、改变一点迷宫的构造），对动物定位行为的各种机理进行研究。虽然已有一些动物行为学实验表明，“地图派”似乎比“反应派”更贴近实际情况，比方即使在探索迷宫的时候没有任何奖励，一旦在某次探索时在终点放上食物被大鼠发现的话，在之后的实验中它跑去终点的时间就会大幅降低，显得轻车熟路（其速度甚至能够赶上之前每次探索都能找到食物的大鼠）^[2]。类似这样支持“地图派”学说的实验还有一些，但仍然缺乏关键性的生理学证据。

海马体和位置细胞

说到生理学证据，最好的莫过于直接记录动物的脑活动了。人们早就知道，神经信号也是一种电信号，可以用电极来测量神经细胞或组织的活动状态。而用来观察活体动物脑组织的方法在上世纪六十年代也已经实现了：把装有很细电极的基座固定在动物颅骨上，然后把电极伸进对应的位置来测量并记录^[3]。只不过想用电极记录单个细胞的活动，必须先把目标缩小才行。

那么，相对于学习与记忆来说，脑中有没有候选的区域呢？其实是有的。六十年代人们已经知道，如果老鼠的脑海马体受损的话，记忆会出现问题，适应新环境的能力也会有改变^[4]。那时测量海马体的实验设计主要还只是包括给动物一些简单的刺激，或者只准动物做某些动作，看看脑组织会有什么样的反应。这样的设计在当时已属不易，也获得了可观的成果：人们发现了海马体中有些细胞会针对外界特定的刺激做出反应等等^[5]。然而，这样的结果远远不足以解释动物的定位能力，或者判断“地图派”跟“反应派”哪个更贴近实际。

当时在伦敦大学学院的O’Keefe采用了稍微有点不同的实验设计：他测量的是海马体在大鼠自主做出不同行为时的活动情况。最初的实验设计并不复杂，只是把大鼠放在一个三面用塑料帘子围上的“舞台”的不同位置，让它自由地走走、吃吃、嗅嗅。然而，这种在动物行为学实验中测量脑部活动情况的设计，在之前是几乎没有人做过的。而且，因为没怎么限制大鼠的行动，就意味着测量的工作量不小，好比调查湖里的鱼跟调查鱼缸里的鱼，前者总是要更困难一些一样。从1971年O’Keefe第一次发表的实验结果也可以看出，他当时总共测量了海马体中的76个细胞，其中的35个可能是对特定刺激有反应的，有些则可能跟大鼠的运动相关联（这两种细胞在之前的简单刺激实验中已经被人们发现）。然而，还有8个的活动情况则是之前从未被观测到的——它们只有在大鼠位于某个特定位置并面对特定方向的时候才会变得特别活跃。O’Keefe把这些细胞称作“位置细胞”