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大脑细胞与城市规划有什么联系?

在钢筋混凝土的城市丛林里,我们大多数人会不时迷路。尽管如此,我们的大脑在“导航”(寻找正确方向)方面确实非常了不起。即使我们在日常上下班途中走神了,大脑仍然能够把我们安全地送达目的地――科学家认为,这很大程度上要归功于我们“海马体”(大脑中与记忆有关的一部分)中的“位置细胞”。

“位置细胞”是2018年公布的一个生物物理学新名词。它是大脑定位系统的一个重要组成部分,会对环境中的特定位置有反应,并在你处于该位置时变得相对活跃。它最早在老鼠的“海马体”中被发现,后来在啮齿动物、蝙蝠、猴子和人类的大脑中都发现了它。

什么是位置野

研究人员做了一个实验,将老鼠放在一个空旷的方形房间里,并观察它的跑动(老鼠只能沿着地板面活动,因为没有任何可供攀爬的东西)。他们对老鼠的位置细胞进行实时监视,并记录下它变活跃时老鼠所处的位置。这样,他们最终得出了每个位置细胞对应的响应位置,这些位置后来被称为位置细胞的“位置野”。在该实验中,老鼠的位置野通常是圆形的,直径大约是38~64厘米。

位置野是动物所处环境中的一小块区域,当动物位于该区域时,就激活了动物“海马体”中的某个位置细胞。不同的位置细胞可能有不同的位置野,当动物到一个新环境时,位置细胞的位置野也立即更新。想一想,同样是黑灯瞎火的情况,在熟悉的家中是不是也比在陌生的环境中更容易识别方向?这是因为我们的位置细胞已经形成了家里各种路线和对象的“位置野”,而在陌生环境中这部分内容是完全崭新的。

不过,在上述实验中,老鼠所处的环境是完全空旷的、平面的(2D),这种环境它在实验室之外几乎不会遇到。真实的环境比实验环境要复杂得多――最大的不同是真实环境很多时候是立体的(3D)。

那么,如果在更加复杂(3D)的环境中,位置细胞如何反映这个环境中的位置呢?

水平移动更易感知

为了回答这个问题,英国伦敦大学学院神经科学家格里夫斯设计了一个新的实验――“老鼠导航实验”。他建造了一个3D格子架,并将老鼠置于其中:老鼠可以任意爬来爬去,可以沿着地板面平行移动,也可以攀爬架子上下垂直移动。

格里夫斯想知道,在这种环境下,老鼠位置细胞的位置野是什么样的。他首先提出了两种猜测。

第一种猜测是,位置野可能是圆形的,因此一个位置细胞将只对平行于地面的位置做出响应,而不管老鼠向上爬了多少格。第二种猜测是,位置野是球形的,因此位置细胞会把高度考虑进去,并且仅在老鼠位于地面上特定位置且处于特定高度时位置细胞才响应(这个假设源自对埃及果蝠的研究,该果蝠的位置细胞具有这种形状的位置野)。

实验过程中,格里夫斯发现,老鼠的位置细胞大致符合第二种猜测:它的位置野呈细长球体的形状,例如橄榄球。

一般而言,位置野在垂直方向上比在水平方向上更宽长。这很重要,因为这意味着位置细胞在垂直方向上的准确性较低。换句话说,位置细胞能更精确地知道老鼠在地面上(水平方向)的位置,而不是在空中(垂直方向)的高度。

一个原因可能是因为老鼠更倾向于水平移动而不是垂直移动。它当然可以上下爬,但它往往会花费大部分时间沿着地板行走。它的位置细胞可能只是没有针对垂直移动进行适时优化。

另一个原因可能是,老鼠在垂直方向上的运动更加困难(相比横向移动,纵向移动需要克服重力),这使它们更难以衡量自己“走”了多远。

为了更好地活动

这项研究可以帮助我们了解人脑如何进行导航,因为人的“海马体”是导航的关键,而它与老鼠的类似。就像老鼠一样,哺乳动物通常主要在2D环境中行走。但是,随着社会文明的发展,我们人类的环境变得越来越3D――典型的代表有高楼大厦、桥梁和一些地下的结构等。

这些在老鼠身上的发现表明,我们的大脑已经被调整到了我们习惯的导航方向:平行于地面。由于我们的世界大部分地区都像建筑中的地板一样,平坦地摆在我们面前。即使我们驾驶飞机或者潜艇,我们的移动仍然经常平行于地面。

然而情况并不总是这样。在未来的外太空,人类将面临真正的3D导航。由于没有重力,就不会有一个更难移动的方向,例如,对实验室中的老鼠来说,这个方向就是往3D格子架的垂直轴上爬。到目前为止,我们还不知道在没有重力的情况下我们的位置细胞会做什么,更重要的是,我们是否能够像在2D世界中一样高效地导航?

无论是在地球上还是在外太空,环境的整个架构最终都会对我们的导航能力产生重大影响。如果周围有很多地标,那么我们就能够知道自己身处哪里,我们将能够更好地导航;在一个不对称的空间里,我们也能够更容易定位自己;如果我们从不同的角度体验了某个环境(环境的熟悉度得到提高),那么在这个环境中我们也能很好地辨别方向。

知道我们是如何导航的――尤其是在复杂的环境中,对建筑和城市规划领域具有重要的意义。研究导航的目的,不仅在于了解我们的大脑如何工作,还在于利用这些信息将我们周围的世界规划得更适合在其中活动。

神经科学与城市规划之间的这种协作,诞生了一个新兴的产物――“有意识的城市”,一个为考虑人类的需求和行为而构建的环境。

总之,我们未来的城市越复杂,神经科学研究的指导越重要。