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我开着车,在一条条陌生的大街小巷中打转,身旁的车载GPS(全球卫星导航系统)小屏幕不停发出指示:请在下一个路口左转,再在下一个路口右转。绕行了将近半个小时之后,我还是没能到达目的地。这时候距离和朋友约定的见面时间已经过去了将近45分钟。

于是我无奈打通了朋友的电话。我说,作为一个研究大脑人士,我对GPS这种“人工智能”失望了。朋友说,可是你顶着你自己的大脑,不是也找不到路吗?

大脑中的定位系统

你站在一个陌生的城市中央,四周环绕着各式高层建筑,头顶呼呼生风。你无奈的拿出地图,比对着一条条纵横的街道,寻找自己的定位。这正像我们的大脑此时的工作:启动各个“导航细胞”, 相当于地图、方格和指南针,帮我们找到方向。

想象一下你是如何使用地图的:展开地图,根据街道名称或者城市坐标找到并记录自己所在的位置。然后寻找到北方,并将地图向上的一面指向北方,来寻找方向。之后迅速的在心中规划到达目的地采用的路径。

这也正是大脑工作的方式。

大脑中存在三种“导航细胞”: “位置细胞(Place cells)” 绘制我们所处地点的地图,当他们经过某地时向我们指出所在位置。“头部方向细胞(head direction cells )”,就像一个指南针,告诉我们朝哪个方向前进。而“网格细胞(grid cells)”则通过一个类似航海中使用的经纬仪告诉我们已经行进的距离。

1970年,伦敦大学学院University College London的O’Keefe等研究人员在大鼠的海马区首先发现了位置细胞(place cells)。他们把电极记录器安置在大鼠的大脑海马区,然后让大鼠在一个它陌生的房间自由走动。这时,大鼠脑中的位置细胞会根据它所在的位置而选择性的兴奋。只有当大鼠活动到房间的特定位置,特定的位置细胞才会兴奋。这就好像给予了每个坐标一个记忆,这样大脑才能记住我们曾经到过哪些地方。

有趣的是,当把这只大鼠放到另外一个新的房间时,它会自动的将新房间的“地图”重新绘制一遍。这样,相对有限的大脑皮层细胞就可以记住不断出现的新鲜环境了。

O’Keefe的同事们对这个发现十分欢喜,但是同时,他们也意识到,除了位置细胞以外,大脑必然还存在着其他作用的“导航细胞”,比如计算距离,还有感知方向。于是他们开始有的放矢地来寻找这些细胞。1980年,纽约大学的James Ranck等人发现了期待中的另一种细胞:头部方向细胞。这些细胞能够辨别头部朝向的方向。比如,当头部朝向北方的时候,一组细胞会兴奋;而头部转向南方时,另一组细胞兴奋。

有趣的是,方向细胞并不是利用磁场也不是通过单纯的外界刺激输入来感受方向的,而是通过前庭系统(vestibular system)。这个系统能够负责身体的平衡,综合眼睛,关节和内耳的信息,方向细胞也正是利用了这一系统来产生特定兴奋的。

但是,光有位置定位和方向感知,还是不够的。如果在A和B位置之间有多条路线,大脑是如何知道身体行进的路径的呢?这就需要后来发现的第三种“导航细胞”——网格细胞。

由于之前的实验一直将大鼠放在相对狭小的房间之内,位置细胞的兴奋一直掩盖了网格细胞的兴奋。所以直到2004年,网格细胞才被亚利桑那州大学的科学家 Edvard Moser带领的小组发现。他们把大鼠安置于一个比普遍使用的实验房间规格大一倍的实验室内,成功发现了网格细胞独特的兴奋方式——正三角形网格兴奋。兴奋的细胞呈正三角形分布,其作用类似于地图中经线和纬线划出的正方形格子,将环境的位置标记到大脑中。

(图示,网格细胞的正三角形分布。如果将各个兴奋点(红点)连起来你会发现是一个个的正三角形。)

那么,这样的网格型兴奋是如何帮助我们找到方向的呢?

简单来说,网格细胞的作用就是建立坐标系,让所有的位置信息都可以坐标化。让我们回到拿地图找路的那个例子吧。对于大多数地图来说,我们完全可以用横横竖竖围棋一样的网格把所有的地点标记出来,横向记作A-Z的字母,纵向记作1-9的数字,那么,市政厅可能在D4的网格内,而家门口的学校可能在A2的网格内。对于大脑来说,不同的环境使用的都是同一张网格,但是网格内的内容决定了存入大脑的信息。比如,我去到北京的天安门,或者上海的外滩,天安门和东方明珠电视塔在网格中的位置可能都是A5,但是“天安门”=“北京”,“东方明珠”=“上海”,然后把这样的信息存入大脑,可以随时调取使用。

虽然网格细胞可以给所有信息一个坐标,但是将这样的信息长期保存还需要大脑海马区的记忆储存功能配合。阿尔兹海默症等海马区退化的病人就常常会伴随迷路的症状,就是和三种“导航细胞”退化,以及海马区记忆功能减退有关。

路盲还有救吗?

无论你是网格细胞不好使,还是海马区功能太差,总之,你“一出门就没了东南西北,看什么地图啊,看也看不懂;向左走,向右走,兜兜转转,晕头转向;坐在原地,等你来,我不走”—— 来自豆瓣路盲症小组。

但是科学告诉我们,路盲症还是有救的。得救的方法就是一个字:

伦敦大学学院的神经学家雨果•施皮尔斯在2004年与他人合作进行的一项研究中发现,伦敦出租车司机的海马区体积就比其他人大。想想也不奇怪,伦敦成千上万条纵横交错的街道,出租车司机每日每夜在其中穿梭,随便给一个地址,他们能马上计算出最短的行进路线,开往准确的方向。这些长期训练,使得他们的海马区就比普通人强劲得多。

施皮尔斯利用虚拟实景的电子游戏,让普通人和伦敦出租车司机模拟在伦敦街头开车,与此同时他们接受了功能性核磁共振成像扫描。他们发现当司机思考行车路线和计划时,海马区是大脑中最活跃的区域。此外,在司机遇到死胡同、观采路况或者考虑乘客或其他司机的想法时,大脑其他部位的活动也相应增加。

所以说,用进废退对大脑某些区域是绝对的真理,而像我这样的GPS依赖症,早晚有一天,会手捧电池耗尽的导航仪,找不到我回家的路……

(感谢沐右,sheldon的宝贵意见)

参考资料:
The Map in the Brain: Grid Cells May Help Us Navigate. Science, 2006.
相关链接:http://songshuhui.net/archives/42522

歪歪特别附赠一则流言终结——

流言: 在树林中迷路的主人公转来转去总是走不出树林,反而会回到起始位置,是因为一条腿长一条腿短?
真相:其实不是的。原地打转是确有其事,尽管受试者在迷路后都会不自觉的回到起始位置,但是转的方向却不同-- 时左时右,因此之前坊间盛传的人迷路后转圈是因为人一腿长一腿短或者一条腿比另一条腿更有力的猜测是没有科学根据的。原因可能是,网格细胞虽然可以建立坐标系,但是没有恒定的参考物,导致无法将信息整合。比如,人在沙漠中白天行走,可以根据太阳位置建立坐标系,不易迷路,但在夜里就很容易迷路,走回起始位置。

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30 Responses to “大脑 VS. 导航仪, 谁能帮我找到方向?”

  1. 星凌一麦穗说道:

    楼至是否讲的就是比较火的replay啊,有人cell发文说:replay可以主动的在走过一段路之后的某个时间安静时或者睡眠时,将之前走过的路径在海马以特定神经回路兴奋的方式“再现”......
    前一段在上海交大参加个计算神经科学培训时,和老师讨论说,一般北方人从小习惯上认东南西北,方向感比南方人更强些,是否和这有些关系?

    • firstrose说道:

      我南方出生南方长大,我现在认路也是东南西北方向感巨强很难迷路,难道其实是我的北方血统在作怪?

  2. Ent说道:

    二维随机行走的路径在足够长时间后一定会和自身相交……这才是回到起始位置的根本原因吧XD

  3. Synge说道:

    出租车司机海马大可能是由于海马大的人才能当得了出租车司机,路盲有没有得救的问题回答得有点草率。而且之前所有关于网格细胞的研究都是基于老鼠等低等动物。对人的研究直到去年才用fMRI得到非常间接的证据。这篇文章作者也没有提。

    • diesirae说道:

      实际上帝都路面上满坑满谷的路痴出租司机……

  4. Izual_Yang说道:

    沙漠里的太阳也不算是“恒定参考物”吧,除非你有相对准确的时钟。
    我自己就是记不住相对的方位,在超市里都会迷路……平常靠google地图才能存活下来

  5. zz说道:

    我坐车时一旦方向感和分析出的方向不一致就会晕车。
    即使分析得出的方向是错的,也要一直看窗外来保持在错误基准上得出的方向变化与感觉一致,否则必晕无疑,除非非常平稳的火车。但是再摇晃的小船却都没事。

  6. geek_hall说道:

    决定了,本周日就带着印刷版地图和手机去陌生的大街小巷练方向感去:晕了就练习看地图,再晕就求助GoogleMaps。

  7. 小怪侠说道:

    嘿嘿,本人方向感还不错,从来没走丢过呢,去陌生的城市也不会丢,嘻嘻

  8. 魔法兔子说道:

    北方方向感强是因为大平原,并且河流少,城市道路都是正南正北方块的,所以好认。
    南方不是湖就是河,把道路隔得支离破碎。很少有正南正北的顺路,经常是斜路或者环路,所以难认

    • horsefaced说道:

      同意,我这边指方向都是左边右边上边下边,结果到北京,丫都说什么什么的东边南边北边西边,那个晕啊。

  9. 绿咸鱼说道:

    大脑的位置坐标居然是六角格系统...

  10. Metaverse说道:

    沙漠里晚上也不是不能认路,条件是你知道当地的大概纬度、熟悉星图还有天气不作怪,就可以认出北极星……

  11. 小怪侠说道:

    我弱弱的问一下方向感是不是指辨认东西南北的能力?那么不能辨认东西南北,但是走不丢的算不算方向感强呢?

  12. ls说道:

    我也想问方向感强的人是先认出东南西北还是先认出景物呢

  13. ZHX说道:

    “天安门”=“北京”,“东方明珠”=“上海”。。。
    等号不能乱来啊

    • 阳春面说道:

      欢迎来到,世界公园(之窗)。。。

  14. sef.av-ken说道:

    认路的能力和生活是有很大关系的,好像北京长大的人到了上海就很容易迷路,应为他脑子里的空间系统基本上是横平竖直的。
    甚至在某些环境里更有极端情况,在某岛人们用来表述方向的词语是“向着大海”和“背着大海”的,即使是描述一把斧头放置的位置也会说“斧子放在桌子上向着大海的那边”

    • 八肱八趾说道:

      正是,我身为北方人但不太辨东西南北,从小到认知就是有海就是南……认路认方向都习惯性地用海做参照物——在海上就用陆地做参照物……

      • sef.av-ken说道:

        《城市意向》《外部空间设计》这类城市规划方面的书里边会有比较多关于这类类似空间识别问题的研究。

  15. inflatables说道:

    太好了,我以前为什么就没有发现这个网站呢。

  16. abc说道:

    很有趣

  17. 阳春面说道:

    当理智遇到“鬼打墙”,当科技遇到“电光光”,让我们扔鞋吧。

  18. zice说道:

    倒是觉得更多时候是在超市里迷路……

  19. 这个不错很给力

  20. xxx说道:

    "伦敦出租车司机的海马区体积就比其他人大",有可能是海马区锻炼后的结果,也有可能是那些海马区小的司机因为总是找不到路被市场淘汰掉了。

  21. 吼海雕说道:

    比较感兴趣为什么迷路的人会回到原地,小时候听这种故事就觉得好恐怖。。。

  22. 异教徒说道:

    经常在大街小巷散步的人路感会更强一些。。。

  23. SN1978AAT说道:

    貌似有星星的夜晚会比白天更容易找到方向才是

  24. 变味的麦芽糖说道:

    大脑也如此神奇啊,看来我的定位系统是比较强悍的!