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想回家,大腦帶路:定義地方與位置的腦細胞

「小明的阿嬤昨天不見了」、「一定是被『魔神仔』抓走了! 上次隔壁村的王爺爺也是,自己走到附近的山區好幾天後才被找到。」新聞中或尋人啟事常看到失蹤老人的故事,為什麼老人家比較容易「迷路失蹤」呢?人腦中的那套「導航系統」又是如何預運作呢?
 
 

圖一:失智症患者走失原因圖示(圖/成大醫學系提供)
▲圖一:失智症患者走失原因圖示(圖/成大醫學系提供)

 

阿茲海默症病人常常會迷路,而且不少病人在病程很早的時候,即使身在熟悉的住家附近,都有可能找不到回家的路。阿茲海默症的病人記憶力很不好,有人因此認為阿茲海默症的迷路和記憶力障礙相關,這並不全然正確,因為記憶和認路功能雖然都與大腦中的海馬迴結構有關,但失去記憶的人未必會迷路,反之亦然。


建構認知地圖的因子:地方、巡迴、邊緣、網格

1948年,美國加州大學心理學系教授投爾曼(Edward Tolman)的系列研究指出,老鼠在一個特定環境自由地移動一段時間之後,對該環境中的物件擺設、方位會逐漸形成一個類似地圖的表徵,投爾曼稱之為「認知地圖」。這項理論打破過去認為動物行為都是基於「刺激–反應」模式的說法,也被認為是認知科學的濫觴。當時,從事相關研究的科學家一致認為,在老鼠的腦中必然有一群特定的細胞來主責這項功能。

1971年,英國科學家歐基輔(John O’Keefe)及多斯柴夫斯基(Jonathan Dostrovsky)利用單一細胞紀錄的技術來研究老鼠的腦:他們把一根很細的玻璃纖維或電極插入單一神經細胞,藉以記錄細胞的活性。透過這種技術的開發與穩定度,面對在空間中移動的老鼠,科學家可以觀察牠們腦中的神經元如何運作。

歐基輔等人發現,在一個實驗空間移動中的老鼠,到達環境中某個的地方時,總有一群神經元會活化,到了下一個地方,又有另外一群細胞被活化,這一群一群神經元的活化代表老鼠可能有一個腦功能來定義地方或位置,因此被稱為地方細胞(place cells)。

對認路而言,要建構一個類似地圖的表徵,單純靠地方細胞是不夠的,當然,當時對於這個活化的神經元將訊號送到何處?老鼠又如何知道身在何處?這些問題都還很難回答。

後來,科學家又陸續發現許多神經元,都與「巡航」的功能有關,包括邊緣細胞(boarder or boundary cells)、頭向細胞(heading direction cells)以及網格細胞(grid cells)(圖二)。 

邊緣細胞可以定義特定環境的邊緣,動物因而可以用不同的大小規格像鏡頭一樣來縮放;頭向細胞則在動物的頭朝向環境中的某特定方向時就會活化,這樣動物就知道方向是否正確。除此之外,動物的腦中可能還有很多與認路有關的細胞,專司不同功能,例如速度、角度等。

圖二:左上:位置細胞;左下:網格細胞;右上:頭向細胞;右下:邊緣細胞。紅色代表活性強,藍色則表是活性弱或無。(圖/取自Kloosterman Lab網頁)
▲圖二:左上:位置細胞;左下:網格細胞;右上:頭向細胞;右下:邊緣細胞。紅色代表活性強,藍色則表是活性弱或無。(圖/取自Kloosterman Lab網頁)

 

腦海裡的GPS——六角形排列的網格細胞

2005年,挪威科學家穆瑟夫婦(May-Britt Moser & Edvard Moser)的團隊總結網格細胞成果,對移行的研究是一個很大的突破。在這之前的研究,科學家都是把老鼠放在一個小空間裡進行觀察;有一次團隊成員讓老鼠在一個大空間奔跑,紀錄顯示出一個讓人詫異的景象,這個神經元活化的樣態就像極具美感的幾何圖形,是六角形的排列(圖三),當時的研究者一度以為是實驗錯誤。

 
圖三:網格細胞,有如蜂窩般的六角形網格。(圖/Khardcastle,https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Grid_cell_image_V2.jpg)
▲圖三:網格細胞,有如蜂窩般的六角形網格。(圖/Khardcastle,https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Grid_cell_image_V2.jpg)
 

這種後來被稱為網格細胞的神經元有一種特性,像一個特定的空間被劃上很多綿密、一如蜂窩的六角形框格,當動物進入六角框格的任一個結點,即立刻活化同一套網格細胞。網格的結構很複雜,用不同的方向、間距與向度,編織成精密的導航系統,因此,當動物在一個特定的環境裡自由活動時,只要幾個網格細胞就能夠精準地定義這個空間,即使沒有明顯的地標用做視覺索引,也一樣辦得到。

經由各種細胞的運作,動物可能建構腦中的地圖,在一個環境之中,能夠知道身在何處,並且很有把握地朝著目的地前去。歐基輔與穆瑟夫婦因為這些研究成果,在2014年共同得到諾貝爾生醫獎。

科學家在大型哺乳動物、靈長類也陸續發現腦內有網格細胞。最近,學者以同樣的單細胞紀錄技術研究即將接受切除部份腦部手術的癲癇病人,以虛擬空間做為實驗場域,首度發現在人類腦內也有網格細胞。

 

深究神經元 診斷阿茲海默症

神經元在複雜的認知功能所扮演的角色可能並非一對一,意即,同個神經元在不同的認知功能可能都有參與,但是角色卻不一樣,這也是神經可塑性的例子之一。當動物離開環境A來到另一個環境B,參與建構空間表徵的神經元會重新召集一個新的團隊,然而,當動物重返A環境時,當初的團隊成員立刻就位,這樣才能保證來到熟悉的地方可以再度優游自如。    

這一系列研究的另外一個意義是,海馬迴的結構之中,與認路息息相關的神經元大都位於內嗅皮質(entorhinal cortex),這裡也是阿茲海默症患者很早期就被破壞、充滿病理變化的腦區。好好研究網格細胞,以及其對人類日常生活的影響,對阿茲海默症的提早發現與診斷,說不定可以提供很大的幫助。


 
來源:
  • 科技部107年度「科轉計畫:前沿科技轉化暨教育應用推廣」專案計畫
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