Neil Burgess 談大腦如何告訴你身處何方

Neil Burgess: How your brain tells you where you are

你如何回憶起將車停在什麼地方?如何判斷自己是否走對了方向?神經科學家Neil Burgess研究神經建構我們周遭環境的機制,及它們如何與我們的記憶及想像產生關聯。

講者介紹

Neil Burgess

在倫敦大學學院中,Neil Burgess研究腦細胞中的電流活動模式如何引導我們尋找空間中的位置。

Neil Burgessis是倫敦大學學院認知神經科學研究所副所長,研究海馬迴在空間導航和情節記憶中扮演的角色。他的研究直接回答了以下問題:大腦如何呈現、儲存及使用關於位置的記憶?大腦運用什麼過程及部位來記憶空間及日常事件的時空背景,及協助我們尋找方位? 為了探索這個領域,他和他的團隊使用一系列方法收集數據,包括率先使用虛擬現實科技及電腦模型,對大鼠海馬迴神經元的功能進行電生理分析,記錄人類導航的功能性影像,並進行空間和情節記憶的神經心理學實驗。 一舉數得的研究:依序探索人類的短期記憶,或

譯者介紹

翻譯人員洪曉慧

繁體編輯朱學恒、洪曉慧

簡體編輯朱學恒、洪曉慧

檔案後製處理洪曉慧、謝旻均


Neil Burgess 談大腦如何告訴你身處何方

  • 當我們把車停在一個大停車場後,要如何想起停車的位置?這就是現在困擾荷馬的問題,讓我們試著瞭解他的大腦裡發生了什麼事。

    我們先從黃色標記的部分-海馬迴開始。它是記憶的源頭,如果這部分受到損傷,例如阿茲海默症,你會記不住事情,包括把車子停哪。這個部位以拉丁文「海馬」命名,因為形狀和海馬相似;如同腦內其他部位一樣,它由神經元構成。

    所以人腦內大約有一千億個神經元,神經元之間的溝通是藉由神經元間的連結傳送脈衝或電波,海馬迴是由兩層細胞彼此緊密相連組成。近期科學家開始瞭解我們對空間的記憶如何運作-藉由當老鼠在一個空間中探索、尋找食物時,記錄牠們每一個獨立的神經訊號。

    我們記錄這隻老鼠海馬迴裡的一個獨立神經元,當它發送電波時,會出現紅點和喀噠聲。我們觀察到,這個神經元能偵測出老鼠在環境中的特定位置,並藉由電波將訊號傳遞給大腦其餘部份。我們藉此得知,神經元的傳輸速率是動物位置的函數,如果我們紀錄很多不同的神經元,會發現當動物移到不同位置時,不同的神經會各自發出訊號,就像圖中方塊所顯示的,這所有的訊號會為大腦其餘部份勾勒出一張地圖,持續不斷地告訴大腦,「我現在環境中哪個位置?」

    展開英文



  • 我們也記錄了人腦中的位置細胞。有時我們需要監測癲癇患者的腦電波活動情形,有些病患會玩一個電腦遊戲,讓他們在一個小鎮裡開車閒晃,當他們經過鎮裡某個特定地點時,海馬迴裡的位置細胞會被活化,開始傳送電脈衝訊號。

    所以,位置細胞如何知道人或老鼠在環境中的某個位置?圖中這兩個細胞告訴我們,環境邊界是極重要的資訊。上方那張圖顯示,當老鼠在盒子的兩面牆之間時,這個神經元會產生訊號;當盒子的空間擴大時,細胞被活化的區域也隨之擴大。下方的圖顯示,當南方有一面牆接近時,這個神經元會被活化。如果你在盒中放置另一面牆-只要動物在箱子裡探索時,南方出現一面牆,細胞這兩個相應位置都會被活化。所以我們推測,偵測周遭環境的邊界距離及方向,例如建築物等資訊,對海馬迴來說極為重要。事實證明,當老鼠探索周遭環境時,外界訊號刺激海馬迴後,有些細胞會偵測特定距離與方向外的邊界或端點,將此資訊輸入海馬迴中。

    你可以看見,當動物接近東邊的牆或障礙物時,左側的細胞會被活化-不論是方盒或圓盒的邊界,或是動物在桌上遊盪時碰到桌緣。當南方有障礙物時,右側的細胞會被活化-無論動物碰的是桌緣或障礙物,還是兩張桌子間的縫隙。因此,我們推斷這是位置細胞在動物探索環境時,決定牠位置的方式之一。

    展開英文



  • 我們也可以測試如何給簡單環境中的物體定位-例如這根目標旗桿,或是你車子的位置。所以我們讓人們探索一個環境,記下物體所在位置後,如果讓他們回到那個環境,通常他們都能準確標出之前目標旗桿或車輛擺放的位置。但在一些試驗中,我們會改變環境的形狀或大小,如我們在位置細胞實驗中所做的。

    在這個例子中,我們發現,他們所認為的旗幟位置,會隨著環境的形狀和大小而發生改變。例如現在你所看到的,如果旗幟在圖中小四方形內的「X」位置,當你問人們旗幟在哪裡時-但其實你已擴大了環境範圍-他們所認為的旗幟位置會如同位置細胞被活化的區域般向外擴張。這就像你對旗幟位置的記憶,是藉由儲存所有位置細胞對那個位置發出的訊號模式,當你回到那個地點,四處打量後,便可將目前腦中位置細胞的訊號模式與之前儲存的模式進行比對,使你能找到記憶中目標的位置。

    我們也可藉由移動來定位,因此當我們走其他路線時-也許是停車後四處走走-我們可藉由移動來得知自己的位置,因為我們可將移動路線整合,粗略地得知返回方向,位置細胞也能從所謂的網格細胞中獲得此類路線整合的資訊。

    網格細胞同樣能將訊息輸入海馬迴中,它有點類似位置細胞,當老鼠四處探索時,每個細胞會被不同位置所激發的一連串訊號活化,在整個空間中呈現出令人驚訝的規律三角形網格。如果你紀錄幾個網格細胞的模式,以不同顏色標記,每個細胞在環境中都呈現網格狀活化模式,每個細胞的網格狀活化模式與其他細胞相較下都有些許位移,因此紅色的會在這個網格中活化、綠色的在這個、藍色的在這個網格中。

    展開英文



  • 因此整體看來,就像老鼠可以在環境中建立一個虛擬的位置訊號。網格有點像地圖上的經線和緯線,只是這裡用的是三角形。當老鼠四處移動時,這些電訊號可由其中一個細胞傳遞給下一個細胞,使老鼠得以追蹤自己的位置,因此,牠可藉由移動得知自己在環境中的位置。

    人類有網格細胞嗎?因為所有網格狀活化模式都有相同的對稱軸、相同的網格相位,即以橘色標出的部分。這意味著大腦中特定部位、所有網格細胞的整體行為,其變化取決於我們是沿這六個方向移動,或是沿這六個方向之間的某個方向移動,所以我們可為人們做核磁共振掃描,讓他們玩之前提過的那個電腦遊戲,追蹤所產生的訊號。事實證明,你可以在人腦中的內鼻皮層看見這些訊號,這與老鼠網格細胞在大腦中的位置相同。

    我們回頭來看荷馬的例子。他可能藉由停車位置的周邊建築,及四周邊界的距離與方向來記憶車子的位置,這個過程由偵測邊界的細胞所發出的訊號來執行。他也記得自己從停車場走出的路線,這有賴於網格細胞所發出的訊號。現在,這兩種細胞都可使位置細胞活化,讓他可藉由移動找到當初車子停放的位置,方法是在腦海中尋找與停車時儲存的訊號模式最匹配的當前訊號模式,這可引導他找到停車位置。這跟視覺上的線索,例如車子是否確實在那裡無關。也許車子已被拖吊,但他仍知道車子原來的位置,而回到那裡取車。

    展開英文



  • 所以,除了空間記憶之外,如果我們觀察整個大腦裡的網格狀活化模式,當我們回憶過去經歷時,會發現有許多位置總是處於活化狀態,例如回想上次參加婚禮的情況。因此,也許記憶周遭環境的神經元運作機制也用於產生視覺影像,至少能讓我們在希望這麼做時,於腦海裡重現空間中的場景,使曾經發生過的景像重現。

    如果確實如此,你的記憶開始於位置細胞藉由彼此間緊密相連的交互作用而活化,然後重新活化邊界細胞,產生視野中整個空間結構的場景,網格細胞可使視野在這個空間中移動。另一種我尚未提過的細胞-頭向細胞(Head Direction cells)就像指南針一樣,根據你面對的方向產生訊號,它可藉由你希望在視覺記憶中形成的景像來定義視野方向。舉例來說,你可藉此想像在婚禮中發生了什麼事。

    所以,這只是認知神經科學中一個嶄新領域的例子,我們藉此開始瞭解心理活動的過程,例如如何記憶、想像,甚至思考,這都是由數十億個組成大腦的獨立神經元之運作所達成。

    感謝聆聽。

    展開英文