編者按

Frontiers for Young Minds期刊網(wǎng)站（以下簡稱“FYM”）上線了五位諾貝爾獎得主專門為青少年撰寫的科學文章合集?！顿愊壬帆@FYM官方授權翻譯五篇文章，將陸續(xù)分享給中文讀者。

目前，該合集收錄以下文章：

《我們?nèi)绾握业阶约旱穆罚看竽X里的網(wǎng)格細胞》 – 2014年諾貝爾生理或醫(yī)學獎得主，邁-布里特·莫澤（May-Britt Moser）
《為生物學服務的計算機模擬技術》 – 2013年諾貝爾化學獎得主，邁克爾?萊維特（Michael Levitt）
《準晶體，而非準科學家》 – 2011年諾貝爾化學獎得主，達尼埃爾·謝赫特曼（Dan Shechtman）
《生命的轉(zhuǎn)錄：從DNA到RNA》 - 2006年諾貝爾化學獎得主，羅杰·科恩伯格（Roger D. Kornberg）
《蛋白質(zhì)的靶向降解：泛素系統(tǒng)》 – 2004年諾貝爾化學獎得主，阿龍·西查諾瓦（Aaron Ciechanover）

和所有在FYM發(fā)表的文章一樣，五位諾貝爾獎得主作者們同樣需要用孩子的語言對文章進行改寫，隨后由8-15歲的青少年審稿人出具審稿報告，通過后文章才可以發(fā)表，以確保文章易于理解并有趣。

來自瑞士的一位13歲的青少年審稿人分享了他的看法："我對科學非常感興趣，能審核來自真正的科學家的稿件，這件事情真的很有意思! 許多論文向兒童闡述了一些危險的疾病，我認為這些信息太重要了！"

該合集的作者之一，2004年諾貝爾化學獎得主Aaron Ciechanover說：“獎項與認可不是人們追求的最終目標，把知識傳遞到世界各地并造福人類，才是作為科學家的偉大成就。我從小就喜歡閱讀科學知識，我想在那個時候，我心里就埋下了科學好奇心的種子?！?/p>

我們是如何找到路的？大腦中的網(wǎng)格細胞

作者

梅·布萊特·莫索爾（May-Britt Moser）

挪威科技大學醫(yī)學技術研究中心，記憶生物學中心

因在大腦中發(fā)現(xiàn)了構成定位系統(tǒng)的細胞而獲得了2014年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

翻譯

趙金瑜

校譯

于茗騫

導航——如何從一個地方到另一個地方，是對動物來說最基本和最重要的技能之一，對人類也是如此。為了成功地導航，動物需要創(chuàng)建一個關于外部環(huán)境的內(nèi)在“認知地圖”。這由大腦中一個特定的系統(tǒng)負責，包含幾個大腦區(qū)域和各種類型的細胞，在導航中每個部分都有其獨特的作用。

在這篇文章中，我將概述這個內(nèi)部導航系統(tǒng)的一些主要組成部分，重點關注網(wǎng)格細胞。這是我們發(fā)現(xiàn)的一類神奇的神經(jīng)細胞，能在大腦中創(chuàng)建一個坐標系。最后，我將根據(jù)我自己的生活經(jīng)驗，提供一些綜合性建議。

一提到導航時，你想到的第一件事是什么？是大家手機里都有的定位系統(tǒng)？還是一段潛艇駛達目的地的水下旅程？或者是童子軍在夜晚找到回到營地的的團隊任務？如果我告訴你，你的大腦有一個內(nèi)置的導航系統(tǒng)，負責明確你在當下的位置，然后發(fā)揮向?qū)ё饔?，這樣你就可以成功地從一個地方走到另一個地方呢？這種在頭腦中對環(huán)境的認識通常被稱為認知地圖（cognitive map）。

雖然導航看起來再自然不過，但大腦的導航系統(tǒng)實際上相當復雜，由幾個大腦區(qū)域和各種類型的細胞組成。這篇文章將帶你一起破解導航這一謎題，最后，我們會把目標鎖定到大腦中一個非常特殊的神經(jīng)細胞系統(tǒng)，那就是網(wǎng)格細胞（grid cells）。正是這個定位系統(tǒng)讓我們榮膺2014年的諾貝爾獎。

01 第一步：你現(xiàn)在在哪兒？

如果我們要開始導航的話，第一步需要做什么？你猜對了！你需要知道你當前所處的位置。你能想出一種方法來讓大腦確定你現(xiàn)在的位置嗎？我會給你一個提示——這與你手機里的GPS定位的方式不同。

正如你所知，GPS使用至少四顆不同的環(huán)繞地球軌道的衛(wèi)星發(fā)出的信號。利用基于高等物理學的數(shù)學計算，你的手機能用這些衛(wèi)星信號來非常準確地確定你的位置。但是，大腦是否會從外界接收信號來確定你的位置呢？答案是否定的。那么，你的大腦是如何確定你在哪里呢？在繼續(xù)讀下一段之前，不如先試著想出至少兩個可能的解決方案。

事實證明，在大腦中，有些神經(jīng)細胞表征了你的位置，這些被稱為位置細胞（place cells）。1971年，兩名叫約翰·奧基夫（John O'Keefe）和約翰·多斯特羅夫斯基（John Dostrovsky）的研究人員在研究大鼠大腦的電活動[1]。在觀察一個叫做海馬體的大腦區(qū)域時，他們發(fā)現(xiàn)，當動物處于周圍環(huán)境中的特定位置時，某些神經(jīng)細胞就會變得活躍起來，并以高速率發(fā)射電信號（圖1）。當大鼠在不同的位置時，其他的位置細胞就會被激活。

換句話說，如果你站在房間里的一個特定位置，在你的海馬體中有一個特定的位置細胞會非?；钴S，正是這個細胞讓你知道你所處的位置。這些位置細胞的電活動是如此精確，以至于如果我們同時記錄100個位置細胞的活動一段時間，我們就可以準確地預測出一只大鼠在5厘米內(nèi)的位置！這非常厲害，因為這些細胞在大腦深處，遠離感官；它們沒有眼睛、耳朵或任何其他感覺器官，那么這些位置細胞是如何獲取關于環(huán)境的信息呢？

圖1：海馬體中的位置細胞參與構建了內(nèi)在認知地圖。

大鼠和人類大腦的海馬體中都有位置細胞（淺棕色）。盒子中的白線表示大鼠在實驗環(huán)境中的運動路徑。紅色區(qū)域表示海馬體中特定的位置細胞（大鼠海馬體上的黑點）變得強烈活躍起來。這是這個特定的位置細胞所表征的位置。當大鼠在不同的位置時，不同位置細胞被激活；它們一起構建了一個關于當下環(huán)境的內(nèi)在認知地圖。

02 第二步：你走了多遠，你走到哪兒了？

假設，一個特定的位置細胞讓你知道你站在哪。然后，你步行一段時間，使用另一個位置細胞來確定新位置。但是你怎么知道這兩個地點之間的距離呢？換句話說，你如何知道這兩個地點的相對位置？

首先，試著考慮一下你需要知道什么信息來計算兩點之間的距離。如果我告訴你我要走2分鐘，你能確定我走了多遠嗎？沒錯，你需要知道我的步行速度。大腦在速度細胞（speed cells）的幫助下解決了這個問題[2]，它會讓你知道你的移動速度。這些細胞不在海馬體，而是位于一個截然不同的被稱為內(nèi)嗅皮層（entorhinal cortex）的大腦深部區(qū)域。

如果你知道我的起始位置，我的步行速度，以及我走了多久，你能知道我現(xiàn)在哪里嗎？還是需要額外的信息？比如，如果你知道起點和終點相距100米，你能知道我在起點周圍的半徑為100米的圓上的位置嗎（圖2）？答案是否定的。

你需要的額外信息是方向。大腦也有頭朝向細胞（head direction cells），這在大腦的數(shù)個區(qū)域均可被發(fā)現(xiàn)[3]。當這些細胞活躍時，動物能知道自己的移動方向。因此，知道你的初始位置，步行速度和時間，以及步行的方向，你可以準確地判斷你現(xiàn)在相對于起點的位置（圖2）。

圖2：為了在環(huán)境中成功導航，你需要知道起始位置(A)、目標位置(B)、行走方向和速度。

從一個給定的位置（通過位置細胞確定）出發(fā)，并以每分鐘50米的速度走2分鐘，你就知道你總共走了100米。但是你能確定你在周圍半徑為100米的圓上的確切位置嗎？并不能！（藍色虛線）。為此，你需要頭朝向細胞，它確定了你的頭部朝向（紅色虛線）。

03 第三步：還有其他的方法可以確定你的位置并從A走到B嗎？——網(wǎng)格細胞

這是一個困難但很有價值的謎題。要從位置A導航到位置B，我們發(fā)現(xiàn)只要知道初始位置、速度、時間和運動方向就足夠了。然而，令許多大腦研究人員驚訝的是，大腦使用了一個額外的和驚人技巧來解決導航問題。我會給你一個提示：它與地圖上的坐標系有關。這個大腦系統(tǒng)被稱為網(wǎng)格細胞（grid cell）系統(tǒng)。

網(wǎng)格細胞系統(tǒng)位于大腦的中部，比耳朵位置略低，在一個被稱為內(nèi)嗅皮層的大腦深層區(qū)域（圖3紫色區(qū)域），該區(qū)域靠近海馬體。不同的是，海馬體位置細胞在動物通過一個特定的位置時變得活躍，而網(wǎng)格細胞在許多位點均變得活躍（圖3）。

最令人驚訝的是，這些位點形成了一個對稱的和極其精確的晶體狀圖案，其特征是中心位點與最近鄰點以等邊三角形連接。這些位點被稱為坐標，形成一個六邊形（六邊多邊形）網(wǎng)格，因此，我們決定將這些細胞命名為網(wǎng)格細胞[2]。需要強調(diào)的是，網(wǎng)格細胞的坐標圖案是在大腦內(nèi)產(chǎn)生的，外部世界里并不存在。

圖3：內(nèi)嗅皮層的網(wǎng)格細胞在多個位置被激活，在大腦中形成一個對稱的坐標系。

網(wǎng)格細胞位于大腦的一個被稱為內(nèi)嗅皮層的區(qū)域（紫色）。盒子中的白線表示老鼠在環(huán)境中的運動路徑。同一個網(wǎng)格細胞在大鼠運動路徑上的多個位置（紫色圓圈）產(chǎn)生電活性。網(wǎng)格細胞激活的位置處于在一個高度對稱的六角形網(wǎng)格中。

每個網(wǎng)格細胞都會形成一套獨特的坐標模式，相對于附近其他網(wǎng)格細胞形成的坐標移動。通過這種方式，整個環(huán)境被網(wǎng)格圖案所覆蓋（圖4A）。只有一個網(wǎng)格細胞也不能確定動物在哪里，因為每個網(wǎng)格細胞在多個位置都是活躍的，這些位點從而形成一個網(wǎng)格。

但是，由于不同網(wǎng)格細胞之間的位置變化，以及網(wǎng)格的不同尺度（圖4C），可以使用幾個細胞的重疊網(wǎng)格，非常精確地確定動物的當前位置[3]。這些網(wǎng)格圖案可以作為大腦內(nèi)的坐標圖，也可以用于測量空間中不同點之間的距離，這是導航的必要條件（圖4B）。

04 關于網(wǎng)格細胞的更多驚喜

我們發(fā)現(xiàn)，即使動物在黑暗中行走時，網(wǎng)格細胞的網(wǎng)格結構也仍然存在[4]。我們發(fā)現(xiàn)，為了將網(wǎng)格投射到在動物所處的特定環(huán)境中（一個大房間還是小房間？），動物會使用感官信息，特別是視覺信息，如房間里墻壁上的線索和墻壁的位置。當墻壁上的線索被旋轉(zhuǎn)時，網(wǎng)格圖案就會旋轉(zhuǎn)，當其中一面墻壁被移動使得房間變大或變小時，網(wǎng)格可能會擴大或收縮。

有趣的是，在內(nèi)嗅皮層上，不同深度的網(wǎng)格細胞表征的是同種環(huán)境，不過是在不同尺度上[4]。位于內(nèi)嗅皮層背側（上）部分的網(wǎng)格細胞構成了一把精細的標尺，在相距約25厘米的近距離物理位置激活（圖4C，右上角），而更深的（腹側）網(wǎng)格細胞則構成了一把粗糙的標尺[1] ，因為它們在更遠的可達3米的位置激活（圖4C）。不同尺度的網(wǎng)格細胞都保持著相似的對稱網(wǎng)格圖案。

讓我再來告訴你一個關于網(wǎng)格細胞的神奇之處。顯然，不僅僅是大腦使用網(wǎng)格細胞進行成功和高效的導航。英國倫敦DeepMind人工智能公司最近進行了一項有趣的研究，研究人員向一臺學習機器提供了有關頭部方向和速度的信息，讓這臺機器學會在一個充滿挑戰(zhàn)的新環(huán)境中導航。經(jīng)過學習，這臺機器在導航方面已經(jīng)可以勝過人類。令人驚訝的是，這臺機器還自發(fā)地創(chuàng)造出帶有網(wǎng)格圖案的人造單元——與大腦中的網(wǎng)格細胞非常相似[5]。

這告訴了我們什么？即使網(wǎng)格細胞圖案是進化過程中“碰巧產(chǎn)生”出來的，那對導航來說也一定非常有用。我們知道，大腦是非常高效的，如果有一種現(xiàn)象（如網(wǎng)格細胞）幾乎是偶然產(chǎn)生的，那它可能會對動物的生存有益。不妨這樣想：想象一下你收到了一個工具，比如螺絲刀，而你不知道它是用來做什么的。隨著時間的推移，你可能會嘗試在不同的情況下使用螺絲刀，最終你會發(fā)現(xiàn)它很有用，對吧？這對大腦也適用：它探索如何使用擁有的所有工具，并找到這些工具有利于動物生存的方法。

圖4：網(wǎng)格細胞坐標下的環(huán)境。

（A）三個網(wǎng)格細胞（綠色、藍色和紅色），同時記錄了大鼠在圓形環(huán)境中運動時的網(wǎng)格結構。藍色細胞的網(wǎng)格結構用淺藍色的六邊形突出顯示。這三個細胞具有相同的網(wǎng)格間距和方向，但在空間上位置不同。

（B）網(wǎng)格結構可以作為環(huán)境認知地圖的坐標系統(tǒng)。

（C）位于內(nèi)嗅皮層背側（上）的網(wǎng)格細胞（紫色）代表精細尺度（右上角的密集網(wǎng)格），而腹側（更深層次的）網(wǎng)格細胞構成了粗糙的標尺（右下的稀疏網(wǎng)格）。

網(wǎng)格細胞共同形成了內(nèi)部坐標圖，憑借于此，動物可從一個位置導航到另一個位置。網(wǎng)格細胞與位置細胞同其他類型的細胞協(xié)同工作，如頭部方向細胞和速度細胞。該導航系統(tǒng)還集成了來自感官的信息，結合環(huán)境信息一起校準內(nèi)部地圖。大腦中的這整套導航系統(tǒng)能夠讓我們平穩(wěn)圓滑地完成導航任務。

雖然我們已經(jīng)對這個迷人的大腦系統(tǒng)有了很多了解，但它的很多方面仍是未知的。例如：注意環(huán)境中或記憶中的線索會如何影響導航系統(tǒng)？動物在導航時，自身的體積是如何被計入的？及在一個患病的大腦中，導航系統(tǒng)會發(fā)生怎樣的變化？比如阿爾茨海默病導致的內(nèi)嗅皮層細胞死亡，從而喪失導航能力。

另一個令人興奮的問題是，動物和外部物體之間的距離和方向是如何在內(nèi)嗅皮層中編碼的，以及這些細胞是否也能編碼像足球比賽中的球一樣移動的物體[6]。如果你想成為腦科學家，那這些具有挑戰(zhàn)性的重要問題可能會出現(xiàn)在你的科學之旅中。

05 給年輕人的建議

年輕的朋友們，你們應該知道，沒人會知道長大之后的生活什么樣。我相信，重要的是要保持你對事物的好奇心，無論是現(xiàn)在還是成年之后，找到你的熱愛，找到你那些讓你感到激情和活力的事物。熱愛才是問題的關鍵——你可能熱愛的是數(shù)學、物理、舞蹈、寫作或其他任何東西。你應該始終遵從這個內(nèi)在的驅(qū)動力，并圍繞你的優(yōu)勢和熱愛來建立你的生活。這才是生活的最優(yōu)解。

很多人會告訴你該做什么，以及為什么要這樣做——因為這樣你就可以賺錢，或者出名，或者你可以獲得諾貝爾獎……但不要聽他們的。走你覺得適合你的道路。它可能是任何讓你充實的東西，你喜歡的東西，你能掌握的東西。對于我來說，我對事物非常好奇，理解事物對我來說非常重要。當我理解了一些我以前不理解的東西時，就會非?？鞓贰@是我的核心動力。

最后，作為一個獲得諾貝爾獎的女性，我必須強調(diào)的是，當你找到你所熱愛的事物時，你的性別并不重要。我總是認為自己就是一個人，當我成為一名科學家時——我就是一名科學家。對于我是一個女性的事實我并沒有想太多。我認為自己是一個非常幸運的科學家，工作非常努力，而且有很棒的合作者。這最終讓我贏得了諾貝爾獎。

雖然對于追求來說，性別無關緊要，但我們都應該意識到，在一些特定的環(huán)境中，人們確實試圖把女性推到一邊。在這些環(huán)境中，我們所有人，不論男性還是女性，都應該強烈支持女性或其他少數(shù)群體。

致謝：

本文的采訪和部分寫作由以色列理工學院Grand Technion Energy Program畢業(yè)生Noa Segev完成。同時感謝 Yoram Burak 教授的評述。

審稿人：

以色列，KIRIAT BIALEK，ORT DAFNA高中，14-15歲。

該班的學生學習物理、生物學，數(shù)學和計算機科學。

參考文獻：

1. O'Keefe, J., and Dostrovsky, J. (1971). The hippocampus as a spatial map: Preliminary evidence from unit activity in the freely-moving rat. Brain Research, 34:171-175. doi.org(71)90358-1

2. Kropff, E., Carmichael, J.E., Moser, M.B., and Moser, E. (2015). Speed cells in the medial entorhinal cortex. Nature 523: 419–424.

doi.org

3. Taube, J. S.; Muller, R. U.; Ranck, J. B. (1990). Head-direction cells recorded from the postsubiculum in freely moving rats. I. Description and quantitative analysis". The Journal of Neuroscience. 10 (2): 420–435.

4. Hafting, T., Fyhn, M., Molden, S. et al (2005). Microstructure of a spatial map in the entorhinal cortex. Nature 436, 801–806.

5. Banino, A, et al. (2018). Vector-based navigation using grid-like representations in artificial agents. Nature 557.7705 (2018): 429-433

6. H?ydal, ?.A., Skyt?en, E.R., Andersson, S.O. et al. (2019). Object-vector coding in the medial entorhinal cortex. Nature 568, 400–404

7. Alme, C.B., Miao, C., Jezek,K., Treves, A., Moser, E.I., and May-Britt Moser, MB.(2014). Orthogonality of place maps in the hippocampus: Eleven maps for eleven room. Proceedings of the National Academy of Sciences , 111 (52). 18428-18435;

作者簡介

邁-布里特·莫澤

我是一名神經(jīng)科學教授，神經(jīng)計算中心的主任，以及位于特隆赫姆（Trondheim）的挪威科技大學卡弗里系統(tǒng)神經(jīng)科學研究所（Kavli Institute of Systems Neuroscience）的聯(lián)合主任。2014年，我和我的老同事愛德華·莫索爾（Edvard Moser）及約翰·奧基夫（John O'Keefe）一同獲得了諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

我出生在挪威的一個叫Fosnav?g的小鎮(zhèn)上。我就讀于奧斯陸大學（University of Oslo），學習數(shù)學、物理和化學。我于1990年獲得心理學學位，并在Per Andersen 的指導下于1995年獲得神經(jīng)生理學博士學位。

愛德華·莫索爾和我的兩個女兒出生于1991年和1995年，她們都在我讀博期間出生。1996年秋天，我回到挪威，當時愛德華和我被任命為在特隆赫姆的挪威科技大學 (NTNU) 心理學系的生物心理學副教授。在此之前，我們在愛丁堡大學（University of Edinburgh）神經(jīng)科學中心的理查德·莫里斯（Richard Morris）的實驗室工作。1996年夏天，我在倫敦大學學院（University College，London）的約翰·奧基夫（John O'Keefe）實驗室做了一個月的訪問博士后。2000年，我被提升為神經(jīng)科學的正教授，當時我們搬到了NTNU的醫(yī)學院。

我是挪威皇家科學與文學學會（Royal Norwegian Society of Sciences and Letters）、挪威科學院與文學學院（Norwegian Academy of Science and Letters）和挪威技術科學院（Norwegian Academy of Technological Sciences）的成員；當選為美國國家科學院（National Academy of Sciences)的外籍院士，美國國家醫(yī)學學會（National Academy of Medicine）的國際會員，并當選為美國哲學學會（American Philosophical Society）的國際會員。

我獲得了許多榮譽和獎項，包括2006年生命科學領域的Liliane Bettencourt獎，2012年當選為歐洲分子生物學組織（EMBO）成員，2011年的第26屆路易-珍特醫(yī)學獎（Louis-Jeantet Prize）（路易-珍特基金會），2011年的安德烈·賈雷獎（Andre Jahre Award），2013年獲得第13屆佩爾/北卡羅來納大學神經(jīng)科學獎(北卡羅來納州大學)，特隆海姆商業(yè)協(xié)會（Trondheim Business Society）最佳女性領袖獎（Beyer夫人獎)，2013年獲得第47屆路易莎·格羅斯·霍維茨生物或生物化學獎（Louisa Gross Horwitz Prize）(哥倫比亞大學)，2014年獲得第59屆卡爾·斯賓塞·拉什利獎（Karl Spencer Lashley Award）(美國哲學學會)，2014年獲得第30屆科伯歐洲科學獎（Koerber European Science Prize）(科伯基金會），2013年獲得第102屆年度弗里德喬夫·南森（Fridtjof Nansen Award）科學與醫(yī)學杰出研究獎，2018年因?qū)π睦砜茖W持續(xù)性的杰出貢獻當選挪威科學院心理科學協(xié)會院士，及2018年挪威皇家最高勛章——圣奧拉夫大十字勛章（Grand Cross of the Royal Norwegian Order of St. Olav）（H.M. Harald of Norway），以及2月28日由挪威皇家科學與文學院頒發(fā)的Gunerius金質(zhì)獎章。

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