伴隨著全球定位系統（GPS）的快速發展，利用移動通訊設備進行定位和導航，已經成為了人們出行的常用手段。打開地圖APP，當前所在位置、距離公里數、最佳出行線路、實時路況以及周邊基礎設施等，都顯示得一清二楚。
然而，記錄路線、環境和空間位置總不能一直借助“外援”。為何有的人方向感極好，走過一遍的線路總能記得清清楚楚；有的人卻堪稱“路癡”，重復多次的路線仍然“找不到北”？這其實與我們大腦中內置的“GPS”密切相關。
近日，來自中國的科學家們在國際腦科學頂尖雜志《自然—神經科學》上，以封面文章形式發表了一項關于大腦關聯學習的神經環路機制的最新發現。在這項引人矚目的研究中，北京師范大學認知神經科學與學習國家重點實驗室神經環路可塑性研究組章曉輝及其團隊，為公眾揭示了參與大腦嗅覺關聯學習的內嗅皮層—海馬的特異神經環路的奧秘，從而進一步解答了大腦中內置GPS與場景記憶形成的真相。
大腦中的“GPS”
我們如何得知自己所處的精確位置？人類的大腦又是怎樣學習并記憶所需的路線及其場景信息的？
其實，有關方位和導航的疑問困擾了哲學家和科學家很長時間。200多年前，德國哲學家康德就認為，某些精神上的能力是作為一種先驗知識，獨立于經驗而存在的。他覺得空間概念是思想的一種內建原理，世界一直并且一定是通過這種原理被我們所感知的。然而，伴隨著20世紀中期行為生理學的出現，這些問題開始通過科學實驗的手段，慢慢顯露出部分答案。
原來，大腦的內側顳葉區中存在一個形狀類似海洋動物“海馬”的結構體，也就是我們通常說的海馬體。海馬體與其相連的內嗅皮層，則是負責和執行這些功能的關鍵神經網絡。印證這一理論的最為矚目的證據，來自于對H.M.病人和大腦內“GPS”系統的兩項研究。
H.M.病人指的是加拿大一位名為Henry Gustav Molaison的記憶障礙患者。Molaison在7歲時曾經歷了一次自行車事故，此后便罹患癲癇，并逐漸惡化。1953年，著名神經外科醫生William Beecher Scoville為Molaison實施了顳葉切除手術。之后，切除絕大部分內嗅皮層—海馬神經網絡的Molaison失去了再生成新的場景和空間記憶的能力。
而在大腦內“GPS”系統研究方面，2014年，諾貝爾生理學或醫學獎獲得者、神經生理學家John O'Keefe以及Edvard I.Moser、May-Britt Moser夫婦分別在海馬和內嗅皮層中發現“位置細胞”和“網格細胞”等編碼位置信息的細胞，從而解決了上述困擾哲學家和科學家數個世紀的問題——大腦是怎么構造出一幅描述我們所處環境的地圖，以及我們又是如何在復雜環境中找到航行線路的。
這些研究向人們揭示出，當我們在探索一個新環境或城市時，不但需要通過大腦內“GPS”系統錨定自己的空間位置，同時也收集和標定周邊環境和物體的特征，并將這兩方面信息關聯在一起形成可描述的場景記憶在大腦中存儲。
其中，內嗅皮層是大腦皮層加工后的感覺信息進入海馬體的“閘門”。一般認為，空間位置（where）和物體特征（what，如氣味、形狀和聲音等）信息分別由內、外側內嗅皮層輸入海馬體進行關聯、學習和記憶。
實際上，早在19世紀末期，西班牙神經解剖學家、諾貝爾生理學或醫學獎獲得者拉蒙·卡哈爾就已經基本描述了內嗅皮層→海馬體連接并存兩條經典通路，即長程通路：內嗅皮層第2層 →海馬齒狀回→CA3→CA1區，以及短程或直接通路：內嗅皮層第3層→CA1區。
但是，在神經機制上卻仍然存在著一些未解的謎團。比如“位置”和“特征”信息究竟如何在內嗅皮層—海馬網絡中特異傳輸、關聯學習并形成具體場景記憶等等，而這也成為了當代神經學家們一直渴望突破的焦點領域之一。
神秘的神經通路
一束來自特定角度的光照打在分散而又看似無關聯的積木塊上，木塊形成的陰影則構成了一個完整的海馬圖案。
這是2017年《自然—神經科學》4月刊的封面圖片，也是北京師范大學認知神經科學與學習國家重點實驗室神經環路可塑性章曉輝研究組的最新研究成果。
在這項研究中，北京師范大學的研究人員利用光遺傳學（Arch或NpHR）和電生理學技術操控和記錄海馬神經元的放電活動，從而發現了小鼠內嗅皮層—海馬神經網絡中存在一個特異直接神經通路，負責大腦的嗅覺關聯學習。
“我們首先運用最新的光遺傳學方法詳細地解析了內嗅皮層→海馬體直接通路的突觸連接規則。”章曉輝告訴《科學新聞》。很快，研究人員就從中發現，外側內嗅皮層興奮性投射選擇性地與海馬體CA1區一類表達鈣離子結合蛋白calbindin、形態復雜的錐體細胞直接連接，但內側內嗅皮層興奮性投射則支配CA1區所有錐體細胞。
“換言之，海馬CA1背側區域的復雜錐體細胞可以接受兩類信息的輸入——空間信息和非空間信息，而其它一類簡單錐體細胞很有可能只接受空間信息的輸入。”章曉輝解釋說。與之相對應的，他們又在小鼠探索“U”型迷宮時發現，CA1這兩類復雜和簡單的錐體細胞都可是“位置細胞”，并編碼相同量的空間信息。
這一結果引發了課題組極大的興趣。當研究人員采用光遺傳學方法選擇性地抑制外側內嗅皮層→CA1復雜錐體細胞的這一特異通路時，發現動物嗅覺關聯學習的能力和進程被顯著延緩；與此同時，通過類似方法抑制內側內嗅皮層→CA1錐體細胞直接通路或內嗅皮層→海馬DG長程通路，卻不影響動物的關聯學習。
這一發現又進一步引發了章曉輝等人的一個新的疑問：如果利用在體光電極（op-tetrode）記錄海馬體CA1區神經元，那么在學習的過程中，海馬的CA1背側區的錐體細胞又會發生怎樣的變化呢？
為了回答這一問題，研究團隊果斷利用在體光電極神經，記錄了學習過程中海馬CA1背側區的錐體細胞的放電活動。結果發現，與CA1區的簡單錐體神經細胞相比，在關聯學習過程中復雜錐體細胞對不同氣味的放電反應表現出更加明顯的偏好性。
“這些發現從細胞、突觸連接、學習行為和神經放電層次上，首次系統地揭示了在經典的內嗅皮層→海馬直接通路中，存在一個特異神經通路參與大腦關聯學習，并且證實了海馬體CA1區存在一類復雜錐體細胞負責加工和關聯不同的輸入信息。”章曉輝說。
對全世界的神經學家而言，這些重要發現為剖析海馬環路和學習機制了奠定了重要基礎；但是對全球那些長期遭受諸如阿爾茨海默病(AD)和帕金森氏�。≒D）等神經退行性疾病，以及精神分裂癥、癲癇等神經精神性疾病困擾的患者及家屬來說，卻有著更為實際的意義。
近來，伴隨著腦成像系統的進展以及對進行神經外科手術病人的研究，科學家發現在早老性癡呆病人身上，海馬區和內嗅皮層經常在早期就受到感染，導致這些患者經常迷路，無法識別周圍環境。另外，在一些精神性疾病患者中，海馬和杏仁核等區域也出現異常，并伴隨有嗅覺功能的損傷。
這一點也得到了章曉輝的印證：“由于大腦的內嗅皮層—海馬神經環路在神經退行性疾病以及許多神經精神性疾病發生中最先出現病變。因此，我們的發現對了解這些神經疾病的發生機理具有重要意義，可為建立治療或干預疾病的策略方法提供最基本的機理發現。”■