我們?nèi)绾螐囊粋€(gè)地方去到另一個(gè)地方？打開地圖，設(shè)置導(dǎo)航？No No No，正確的打開方式是啟動(dòng)大腦內(nèi)置的“GPS系統(tǒng)”，找到去目的地的最短路徑。

（圖源：諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)）

這時(shí)，你的大腦會(huì)先搜索出目的地的海馬位置細(xì)胞，并啟動(dòng)它，隨后另外一種能夠產(chǎn)生坐標(biāo)體系的網(wǎng)格細(xì)胞開始工作，進(jìn)行精確定位與路徑搜尋，并找到最短路徑到達(dá)目的地。內(nèi)嗅皮層區(qū)域的網(wǎng)格細(xì)胞與位于海馬體內(nèi)的位置細(xì)胞相互協(xié)調(diào)，構(gòu)成一條完整的回路。
這一回路系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜而精細(xì)的定位體系，它是我們大腦的“內(nèi)置GPS”系統(tǒng)，當(dāng)該系統(tǒng)受損嚴(yán)重后，出門了可能就回不來了，典型的案例就是阿爾茨海默?。ɡ夏臧V呆癥）。

（圖源：中國科學(xué)院長春光機(jī)所，Light學(xué)術(shù)出版中心，新媒體工作組）

位置細(xì)胞被認(rèn)為是一個(gè)認(rèn)知地圖的環(huán)境，類似于內(nèi)部的全球定位系統(tǒng)和保存位置記憶。正是發(fā)現(xiàn)了大腦的內(nèi)置GPS，美國科學(xué)家John O'Keefe，挪威科學(xué)家May-Britt Moser，以及挪威科學(xué)家Edvand I. Moser三人獲得2014年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)【?】。

圖1 2014年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者（圖源：諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)）

基于該項(xiàng)研究，來自英國倫敦大學(xué)學(xué)院沃爾夫森生物醫(yī)學(xué)研究所的MICHAEL H?USSER【?】研究團(tuán)隊(duì)利用激光束開啟了小鼠大腦中神經(jīng)元的表達(dá)。為闡明大腦記憶背后的工作原理提供新的思路，也揭開了記憶力支持大腦內(nèi)在GPS系統(tǒng)的分子機(jī)制。
這項(xiàng)成果近期以“Targeted Activation of Hippocampal Place Cells Drives Memory-Guided Spatial Behavior” 為題發(fā)表在Cell。
研究人員相信，這一研究成果最終有助于設(shè)計(jì)新的療法來治療那些影響記憶的疾病，例如：阿爾茨海默病和癡呆癥。
MICHAEL H?USSER說“這項(xiàng)研究改變了腦神經(jīng)學(xué)的游戲規(guī)則，因?yàn)樗砻魑覀兛梢允褂霉鈱W(xué)方式讀寫特定神經(jīng)元中的活動(dòng)來操縱記憶，從而使我們能夠更好地理神經(jīng)回路活動(dòng)是如何幫助我們做出決定的?！?br/>該項(xiàng)研究結(jié)合了兩種極其強(qiáng)大的光基方法，可以利用光來讀寫大腦中的電活動(dòng)。
第一種是光敏蛋白。它可以在基因?qū)用嫔咸砑拥叫∈篌w內(nèi)，點(diǎn)綴在神經(jīng)元的外層，像運(yùn)動(dòng)感應(yīng)燈，只有在細(xì)胞活躍時(shí)才照亮細(xì)胞。由于GPS細(xì)胞在鼠標(biāo)運(yùn)行到不同的虛擬位置時(shí)激活，因此科學(xué)家可以識(shí)別這些細(xì)胞。
第二種是光遺傳學(xué)。一組不同的光敏蛋白嵌入到相同的神經(jīng)元中，這些家伙充當(dāng)燈開關(guān)，而不是燈泡。當(dāng)用不同頻率的激光敲擊時(shí)，科學(xué)家能夠打開和關(guān)閉這些開關(guān)。
該研究利用了一種虛擬現(xiàn)實(shí)裝置（如圖2），老鼠在一個(gè)輪子上奔跑，頭部保持穩(wěn)定。就像虛擬現(xiàn)實(shí)游戲中的人類一樣，他們的大腦處理虛擬環(huán)境——一條有房子、街區(qū)和其他視覺線索的單一路徑，就像現(xiàn)實(shí)世界中的道路。

圖2 頭部固定虛擬現(xiàn)實(shí)裝置和顯微鏡設(shè)計(jì)示意圖（圖源：2020, Cell 183, 1–14 Fig. 1a）

研究小組首先訓(xùn)練老鼠識(shí)別虛擬路徑上的目標(biāo)區(qū)域位置，同時(shí)監(jiān)測(cè)它們的活動(dòng)GPS細(xì)胞。在那里，老鼠學(xué)會(huì)了舔三次傳感器，以獲得糖水獎(jiǎng)（圖3）。

圖3 實(shí)驗(yàn)小鼠被刺激之前和之后的行為（圖源：Brain Post）

這基本上把虛擬目標(biāo)區(qū)的活動(dòng)GPS神經(jīng)元與甜蜜記憶聯(lián)系在一起。如果GPS細(xì)胞負(fù)責(zé)將記憶固定在大腦中，那么不管鼠標(biāo)在虛擬空間的實(shí)際位置在哪里，人工激活這些細(xì)胞都應(yīng)該重新激活記憶，并使其在預(yù)期中舔傳感器。
這的確發(fā)生了，但研究小組并沒有同時(shí)用激光引爆所有帶標(biāo)簽的GPS神經(jīng)元，而是根據(jù)它們的正常序列，在人為地重新激活了它們。這類似于把神經(jīng)元的“鋼琴鍵”演奏成對(duì)大腦有意義的旋律，而不是同時(shí)將它們敲入神經(jīng)系統(tǒng)的雜音。它就像一個(gè)魔咒，即使當(dāng)老鼠不在它的虛擬目標(biāo)區(qū)域，一旦科學(xué)家人工激活編碼目標(biāo)區(qū)域的GPS神經(jīng)元，老鼠就開始舔傳感器。
從本質(zhì)上講，這個(gè)團(tuán)隊(duì)能夠在頭腦中把老鼠運(yùn)到它值得獎(jiǎng)勵(lì)的地方，而不管它所感知到的現(xiàn)實(shí)。在某種程度上，研究小組人為地切斷了老鼠對(duì)糖水的記憶與之前的真實(shí)位置，而是通過巧妙的光照黑客攻擊大腦，將其重新映射到一個(gè)新的地方。
第一作者、也是通訊作者的尼克·羅賓遜博士說：“簡單來講，位置細(xì)胞確實(shí)能告訴老鼠目標(biāo)位置在哪里，而老鼠小鼠會(huì)“聽”位置細(xì)胞的意見。我們很高興能夠?yàn)楹ｑR部位細(xì)胞的功能作用提供這一直接證據(jù)，并能夠利用這一強(qiáng)有力的技術(shù)組合來進(jìn)一步探索支持情景記憶的海馬體的一般編碼原則。”（圖4）

圖4 第一作者和通訊作者 尼克·羅賓遜博士（圖源：Brain Post）

事實(shí)上，這些定位細(xì)胞在一定程度上具有對(duì)環(huán)境的印記特征。當(dāng)人為操縱這一特征時(shí)，雖然可以增強(qiáng)環(huán)境位置記憶，促進(jìn)空間相關(guān)行為，但由于單個(gè)位置細(xì)胞與其他位置細(xì)胞之間存在“血肉聯(lián)系”，容易造成群體效應(yīng)，損害空間認(rèn)知能力。
因此，要提高阿爾茨海默病等認(rèn)知障礙患者的空間記憶能力，就必須打破這一群體效應(yīng)，否則很難實(shí)現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化！
另外，雖然這項(xiàng)研究是第一個(gè)將位置細(xì)胞與大腦的記憶和決策聯(lián)系起來的第一項(xiàng)研究。
但還有很多是我們還不知道的，大腦的電子編碼策略到底是什么？位置細(xì)胞是如何連接到記憶存儲(chǔ)部分的？隨著我們腦-機(jī)接口的爆炸式發(fā)展，我們最終能否會(huì)因?yàn)榻邮盏綇?qiáng)大的外部輸入，而扭曲我們的現(xiàn)實(shí)？這都需要科學(xué)家未來的探索。
文章信息
Robinson et al., 2020, Cell 183, 1–14
論文地址
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.09.061