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生命科学纵横小论文

之

我对生命科学前沿话题的认识和感受

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之前老师在课上简单介绍了2014年诺贝尔生理学或医学奖，获奖者分别是美国科学家约翰·奥基弗（John O'Keefe ）、挪威科学家梅-布里特·莫泽（May-Britt Moser）和挪威科学家爱德华·莫泽（Edward I. Moser），他们因为发现构成大脑定位系统的细胞而得奖。

我们如何知道自己的位置？我们如何从一个地方去到另一个地方？为何当我们在下次重复同样的路线时能够迅速查找到这些信息，我们在大脑中是如何对它们进行存储的？众所周知，细胞有很多种类，每一种的细胞形态结构功能也是大相径庭。那么有没有一种细胞可以帮助我们记录这些位置信息的呢？有些人路痴是否与这些细胞有关呢？今年的诺贝尔生理学与医学奖获得者们发现了大脑内的定位系统，一种大脑中内置的“GPS”，它让我们能够在空间中行实现定位，揭示了高等认知能力的细胞层面机制。在1971年，约翰·奥基弗利用小鼠最先进行了研究。他发现，当把一只大鼠放到环境中某个特殊的位置时，其大脑中的特定神经细胞会被激活。当换到其他位置，会导致其大脑中其他的特定神经细胞被激活。约翰·奥基弗提出，这些“位置细胞”构建了一个外部环境的内部地图。这些“位置细胞”位于大脑中海马的位置。2005年，梅-布里特·莫泽和爱德华·莫泽发现，当大鼠通过某些特定位置时，位于海马附近内嗅皮质的另一些的神经细胞被激活。这些脑区构成一个六边形网格，每个网格细胞在特定的空间图式中起作用。这些网格细胞共同构成一个坐标系，便于大鼠在三维空间的活动。

网格细胞与位于嗅皮层用于识别动物头部的方向和房间的边界的细胞，以及位于海马的位置细胞一起，共同形成一个网络系统。这一回路构成了复杂的空间定位系统，这是一个脑内的GPS系统。人脑中的这一系统似乎有与大鼠脑中的相似的结构。 并且在不久之后，研究者在包括人类在内的基本上所有哺乳动物脑中都发现了类似的空间定位系统，为这套理论的实际运用铺平了道路。一方面，空间位置记忆作为记忆的一种，被广泛运用到学习记忆机制的研究中。被各大实验室广泛采用的空间恐惧记忆，就是基于这套理论所建立的行为范式，为深入理解学习记忆的机制提供了良好的研究工具。另一方面，这套理论也被应用于人类身上。一项调查显示，穿梭于迷宫般的伦敦街道的出租车司机拥有更为发达的海

马，这些结果提示，只要勤加练习，大脑中的GPS也可能变得更加性能卓越。此外，如阿兹海默病AD等许多疾病会导致患者出现不认识路的症状，关于定位与导航的研究可以帮助医生和科学家加深对这些疾病的认识，从而更好地诊断、治疗这些病症。

这个新的研究首先让我想到了可以从几百公里之外，甚至在一、二千公里远的地方，仍能准确无误地找到地址的信鸽。根据一项最新的研究表明，鸽子脑部的神经元为地球磁场方向编码，让这种鸟类拥有与生俱来的内置全球定位系统（GPS）。不过，这是首次有人试图解释鸽子脑部神经元情况，是如何利用这些接收器并带来方向感。研究人员发现了鸽子的脑细胞是怎样记录了从地球磁场中感知到的详细导航信息。科学家采取的做法是，将一些鸽子置于黑暗的环境下，并对它们的脑部进行监测，他们试图找到负责解读这些信号的神经网络。接着科学家调高了磁场的强度，并对其范围、高度和其他变量进行调节。他们用基因标记来确定神经元被激活的时间点，而且把关注的重点放在用来处理此类信息的神经区域。最终，他们在鸽子的脑干部位确定了活动性大大提高的53个神经元。而且，这些脑细胞与相对应的人工磁场范围最为敏感。这项研究揭示了鸽子脑部一种称为神经元的单细胞可以将磁场方位、强度和极性信息编制成密码。研究人员发现，当鸽子内耳中某一区域处于变化的磁场中时，这些脑部的神经元就会作出反应。信鸽依靠脑部神经元为地球磁场编码，通过感知地球磁场的变化，从而在长途距离中辨别方向，就像人使用微型指南针一样。而万物最根本的法则我觉得是吸引力法则，而吸引力所依赖的很大一部分是引力场、磁场，人也在不断的发出一种场，如果两个人的气场相近，两个人就会相处的比较融洽，相反可能无法和平相处。因而试图在人的大脑里寻找定位细胞也是有相当的理论支持和背景的。

在数学里，记录一个位置我们可以用三维的Ｏ-xyz坐标系来描述一个点的位置，也可以用球坐标，像经纬线那种等等。因而对于这个研究我的初步猜测是大脑里的这些GPS细胞，是否是借助于视力根据所看到的周围有特点的事物和感知事物的维度来确定自己所处位置的。但是经过我查找资料，我惊奇的发现人类大脑中的“导航系统”使用的却是由正三角形组成的网格。