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為甚麼我會是一個路痴?

2017/5/4 — 20:26

pexels

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「BB,點解你咁蠢嘅?你係咪路痴呀?」這是女朋友最愛問我的問題。

其實細想一下,為甚麼我會是一個路痴,這是一個很高層次的問題呀,簡直是一個諾貝爾獎級難度的問題。想當年,2014年諾貝爾生理醫學獎,就是頒給了幾位研究這問題的科學家。

他們藉著研究把電極放入老鼠腦部,發現了動物(及人類)認路的方法。原來我們之所以能夠認路,靠的主要是兩種腦細胞,分別是 place cells 及 grid cells 。

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Place cells 位於海馬體 (hippocampus) 中,每個 place cell 負責一個特定的地區範圍,我們稱那個範圍為 place field 。科學家發現,如果老鼠處於某個 place field 之中,那麼負責該 place field 的細胞就會開啟,變得活躍。舉個例子,如果我把老鼠放在我睡房中,而睡房位於 place field A ,那麼負責 place field A 的 place cells 就會活躍起來,那麼老鼠就會知道自己位於我的睡房。如果我把老鼠放在廚房中,而廚房位於 place field B ,那麼負責 place field B 的 place cells 就會活躍起來,老鼠就會知道自己位於廚房。

總之 place cells 有點像 GPS 定位系統,每個 place cell 是 GPS 地圖上的一細點。只要你到達某個地方,它就會告訴你。「你現在在醫院病房」、「你現在在家的廚房」、「你現在在商場鞋店」...但當你去到一個新環境時, place cells 會重新定義,重新組成自己的 place field 。那情況就好像你用 GPS 定位系統,灣仔區有灣仔區的地圖、沙田區的地圖、旺角區有旺角區的地圖,當你從灣仔去到旺角,GPS 系統就會轉換去使用另一地圖。同樣道理,當你從自己家去到女朋友家, place cells 就會由你家的 place field 從新設定至女朋友家的 place field 。但舊的設定是隨時可以召回的,當你到女朋友家後,之後再帶她回到自己家纏綿,聰明的 place cells 又會回復原來的設定,負責你家裡不同位置的 place field 。

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但 place cells 是靠甚麼去知道自己位於某個 place field 中呢?科學家又發現 place cells 和很多感觀腦細胞都有密切聯繫,所以我們的視覺、聽覺、嗅覺資訊,都會被傳達  place cells ,幫助我們得知自己的位置。

科學家又發現當他們損害老鼠的海馬體(place cells 的所在地)後,老鼠就再認不到路了。這再進一步證實了他們的理論。但 place cells 只能告訴你「你在甚麼地方」,卻不能告訴你「你在沿甚麼方向移動」或「怎樣從地方 A 行到地方 B 」,所以它這是一個功能不完全的 GPS 系統。

而具有方向導引功能的細胞要在發現 place cells 約 30 年之後才被人發現。它們名叫 grid cells,位於大腦的內嗅皮層 (entorhinal cortex) 中。下圖是海馬體 (place cells 所在地)及內嗅皮層(grid cells 所在地)的位置,我們可以看到它們很接近。

Adapted from “A pathophysiological framework of hippocampal dysfunction in ageing and disease”, by A. S. Scott, A. S. Scott, B. B. Richard, P. W. Menno & A. B. Carol, 2011, Nature Reviews Neuroscience 12, p. 585-601

Adapted from “A pathophysiological framework of hippocampal dysfunction in ageing and disease”, by A. S. Scott, A. S. Scott, B. B. Richard, P. W. Menno & A. B. Carol, 2011, Nature Reviews Neuroscience 12, p. 585-601

有別於 place cells,一個細胞對應一個位置, grid cells 一個細胞對應很多不同區域,這些區域以六角形的方式排好,就如下圖所示。

Adapted from “Human Grid Cells”, by J. Kubie, Retrieved from http://blog.brainfacts.org/2013/08/human-grid-cells/

Adapted from “Human Grid Cells”, by J. Kubie, Retrieved from http://blog.brainfacts.org/2013/08/human-grid-cells/

Adapted from “Passive Transport Disrupts Grid Signals in the Parahippocampal Cortex” by S. S. Winter, M. L. Mehlman, B. J. Clark &J. S. Taube, 2015, Current Biology.

Adapted from “Passive Transport Disrupts Grid Signals in the Parahippocampal Cortex” by S. S. Winter, M. L. Mehlman, B. J. Clark &J. S. Taube, 2015, Current Biology.

所以你在任何一個六角形點上, grid cells 都會變得活躍,也就是說你不能依靠 grid cells 得知自己的確實位置。那究竟 grid cells 有甚麼用途呢?原來很多不同的 grid cells 交集在一起,我們就可以藉此得知移動的方向。

以下圖為例,

Adapted from “Human Grid Cells”, by J. Kubie, Retrieved from http://blog.brainfacts.org/2013/08/human-grid-cells/

Adapted from “Human Grid Cells”, by J. Kubie, Retrieved from http://blog.brainfacts.org/2013/08/human-grid-cells/

如果 grid cells 活躍的次序是 A(紅)→ B (綠)→ C (藍)。那我們是完全不能確認自己位置的。因為單看上圖我們已經看到 7 個不同紅點, 7 個不同綠點和 7 個不同的藍點。但我們卻可以知道移動的方向——左下方。只要結合 place cells 告訴我們的絕對位置,我們就可以得出一個很完美的 GPS 定位系統。

如果我們用數學概念理解,place cells 可以結我們一個坐標, grid cells 可以給我們一個 displacement vector。再說的簡單一點,「我在位置 A ,向前行 100 米,就會到達位置 B。」中,「位置 A 」及「位置 B 」這兩個資訊來自 place cells,「向前行 100 米」這個資訊來自 grid cells 。

Adapted from “Human Grid Cells”, by J. Kubie, Retrieved from http://blog.brainfacts.org/2013/08/human-grid-cells/

Adapted from “Human Grid Cells”, by J. Kubie, Retrieved from http://blog.brainfacts.org/2013/08/human-grid-cells/

發現這兩種細胞,有助我們了解很多醫學問題,例如腦退化症的病人為何較易迷路。這是因為腦退化症影響海馬體,而海馬體含有 place cells 。當 place cells 再不能正常運作時,病人就會迷路。這個發現同時也可以幫助史丹福回答女朋友的問題。當女朋友下次再問:「小蠢,點解你係路痴?」

我就可以回答:「簡單,因為我的 place cells 與 grid cells 比較弱。」

參考資料: 

1. O'keefe, J., & Dostrovsky, J. (1971). The hippocampus as a spatial map. Preliminary evidence from unit activity in the freely-moving rat. Brain Research,34(1), 171-175.

2. Hafting, T., Fyhn, M., Molden, S., Moser, M., & Moser, E. I. (2005). Microstructure of a spatial map in the entorhinal cortex. Nature, 436(7052), 801-806. 

原文刊於作者博客

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