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人脑中的网格细胞

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网格细胞 (grid cell)的发现,为我们理解大脑中如何表征空间位置提供了很直接的证据。2005年,一组挪威科学家在Nature上最先报道了大鼠脑中网格细胞的存在。研究者让大鼠在1平米左右的空间内自由活动,同时记录大鼠内嗅皮层 (entorhinal cortex)内神经元的发放模式。其中有一类很有意思,当大鼠走到环境中特定位置时神经元会激活,而且引起神经元发放的位置在空间中呈规则的形状排列。如下图所示,黑色或红色的线代表老鼠运动的轨迹,红色线表示网格细胞激活的位置。在整个空间中,网格细胞发放的点成规则的等边三角形排列,使整个空间成六边形蜂窝状。这个发现第一次揭示了老鼠大脑中对外部环境空间的表征方式。

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那么人类脑中是否存在网格细胞呢?对于人来说研究网格细胞有两个困难。第一,无法对人进行单细胞记录,要记录活体人类的大脑神经活动,目前最好的办法只能是fMRI。但以fMRI的分辨率只能记录成千上万神经元的集合。第二,MRI扫描需要被试躺在机器里保持静止,被试根本无法在空间自由走动。
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不过最近英国伦敦大学学院 (UCL)的一组科学家巧妙的用fMRI发现了支持人类存在网格细胞的证据。首先研究者采用虚拟现实技术,给被试呈现如上图一样的场景。被试可以操作键盘在场景中走来走去,同时完成一些任务。因为fMRI只能记录神经元群的活动,因此研究者先研究了大鼠脑中网格细胞神经元群的活动特性。因为不同网格细胞对环境中的不同位置起反应,从而可以对整个环境的不同位置进行编码,因此记录一群细胞是无法区分单个细胞所编码的网格位置。但是,对于同一只老鼠的不同网格细胞,网格朝向角度是相同的。进一步研究者还发现,网格细胞群的活动还受运动方向的调制。如果运动方向与网格朝向一致,则神经活动更高。最后,网格细胞的发放还受到运动速度的调制。运动速度越快,网格细胞群的网格性就越强。根据这三个属性,就可以用fMRI验证网格细胞的是否存在。
对于每个被试来说,网格细胞的朝向是不一样的。因此研究者首先用用结构像定义内嗅皮层,然后找到对某一运动方向相应最强的方向。实际上,内嗅皮层区域的激活在以60度为间隔的六个方向上激活最强,而且激活强度还受到运动速度的调制。随后再用新的一批数据,在全脑中寻找激活水平受到运动方向调制的区域,结果在全脑范围内只找到了内嗅皮层的区域。并且网格细胞的方向一致性与被试…

用fMRI与植物人交流

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植物人状态是受到严重脑外伤昏迷后,虽然苏醒但仍然没有意识的状态 (Vegetative State, VS)。比植物人状态稍轻微一点的状态是最小意识状态 (minimally conscious state, MCS)。在最小意识状态,病人偶尔会显示出对外界刺激的反应,但这种反应并不一致。在临床上对病人意识状态的诊断通常只能通过病人的行为反应进行判断,比如病人是否会对外界刺激进行反应。这就可能出现一个很可悲的状况,如果一个病人存在意识,但是丧失了运动能力,他同样无法对医生的刺激进行反应。这时我们仍然得把病人归类为植物人状态或最小意识状态。很多病人的家属会固执的认为病人还存在意识,可以理解自己的话,因此会坐在床边一直与病人说话。在琼瑶阿姨的电视剧中,这时镜头一转,就会发现病人眼角一行眼泪流下~

眼泪是不靠谱的,不过有fMRI,我们可能读到藏在植物人脑中的意识。早在2006年,Owen等就在Science上就报告了一个惊人的发现。研究者对一名因车祸而成为植物人的病人进行fMRI扫描。同时,研究者让病人进行两种想象任务:一种与运动相关,想象自己打网球的动作;另一种与空间相关,想象自己在家中行走。结果病人在运动想象任务中激活了辅助运动皮层 (SMA),而在空间想象任务中激活了海马旁回 (PPA)。这种激活模式与正常被试进行相同想象任务的激活模式是一致的。从而提供了很强的证据,表明这名女病人可以理解研究者的话,并与研究者合作完成了想象任务。虽然可能因为运动功能的丧失导致病人无法与研究者交流,但病人的某些大脑活动是正常的。


(病人在完成运动想象和空间想象任务时的激活模式与正常人很相似,图片来自Owen et al., 2006)

在这个病人之后的3年里,这个研究小组又扫描了54名植物人病人或最小意识状态病人。研究者都让病人完成这两类运动想象和空间想象任务。在这54名病人中,有5名病人显示出了可靠的辅助运动皮层或海马旁回的激活。

接下来,研究者又有了一个天才的想法。如果病人可以成功的主动操控大脑内两个区域的兴奋水平,那么也许可以通过监控这两个区域的激活水平来与病人交流。研究者选取了一名大脑活动响应最可靠的病人,让病人回答一系列问题。问题与病人生活有关,病人只要回答是/否就可以,比如“你父亲的名字是Alexander么?”同时,研究者告诉被试,如果答案是“是”,就进行动作想象;…