2014諾貝爾醫學獎得主研究 解謎大腦的定位導航系統

分類 腦與神經 - 健康必知

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諮詢專家/邱銘章臺大醫院神經部主治醫師

撰稿/賴星融臺大醫院神經部住院醫師、曾宇婷好心肝門診中心主治醫師

2014年的諾貝爾生理醫學獎是由發現位置細胞(place cell)的美裔英國籍科學家歐基夫(John O'Keefe)及發現網格細胞(grid cell)的瑞典籍科學家梅伊-布里特.穆瑟(May-Britt Moser)和愛德華.穆瑟(Edvard I. Moser)夫婦共同獲得。他們的研究發現了大腦內建的定位導航系統GPS,讓我們能夠知道自己身在何方,並且找出正確抵達目的地的路線。

位置細胞(place cell協助人體定位

歐基夫(John O'Keefe)是愛爾蘭裔美國人,出生在美國紐約,在加拿大的McGill大學取得藝術碩士學位,博士時則轉入Donald O. Hebb教授的團隊中研究心理學,畢業後便前往英國倫敦大學學院做博士後研究員,之後便一直待在倫敦大學學院直到今日。

科學家、哲學家一直很好奇,究竟我們是怎麼知道自己所在位置?附近有哪些街道、巷弄、地標?又是怎麼抵達我們想去的地方、規劃並且記住整個路線而不迷路呢?這麼高階的認知功能是位在大腦哪些地方?為什麼失智症或是有腦傷的人會搞不清楚方向、容易迷路?

早在1971年,歐基夫(John O'Keefe)就做了實驗,發現將老鼠放在一個空間中,顳葉的海馬迴(hippocampus)所記錄到的神經細胞活化區域會因為老鼠在各個位置而有所不同,加起來幾乎可以勾勒出整個空間的圖形。歐基夫將這些在海馬迴的神經細胞命名為「位置細胞」(place cell),認為它們不僅記錄視覺的訊息,同時能夠在我們腦中描繪整個環境的輪廓,並且形成記憶儲存,所以海馬迴存了許多的地圖,當我們處在不同空間環境中,我們就可以取出特定的地圖,這樣就能隨時知道我們身在何處了,因此「位置細胞」就是我們內建的定位系統。

網格細胞(grid cell是人體的GPS導航系統

穆瑟夫婦都是出生在挪威的挪威人,兩人在奧斯陸大學(University of Oslo)取得心理學學位及神經生理學博士學位,畢業後曾經短暫待在倫敦大學學院歐基夫(John O'Keefe)教授的實驗室裡,幾個月後便回到挪威科技大學(University of Science and Technology in Trondheim)繼續在神經科學領域做研究。

經由歐基夫的實驗,我們知道位於海馬迴的許多位置細胞各自儲存了我們對於不同環境的空間記憶,但是要如何在兩個位置間移動?光靠位置細胞運作是不夠的。2005年穆瑟夫婦發現,當老鼠在一個房間內移動時,大腦靠近海馬迴一處叫做「內嗅皮質」(Entorhinal cortex)的地方,在老鼠經過房間裡某些定點時,有一群神經細胞會特別活躍,這些定點畫在地圖上時,就可以清楚的看到原來生物體是以一種六角形的網格在分析這個空間,而這群神經細胞便稱為網格細胞(grid cell)。網格細胞將每個定點設成座標,在腦中建構出有方向性的地圖,可以負責空間導航。當網格細胞再整合、連結位置細胞的訊息,共同形成空間路線圖,就能建置腦內複雜的定位導航系統--大腦GPS

有助解開空間記憶喪失之謎

如果我們要對自身所發生過的事件形成記憶,事件發生的地點、空間、環境是重要的一個環節,透過歐基夫及穆瑟夫婦的傑出研究貢獻,我們才得知海馬迴的位置細胞以及內嗅皮質的網格細胞在空間記憶的過程中扮演重要角色,而阿茲海默氏症(Alzheimer?s disease)病人的海馬迴與內嗅皮質,通常在發病初期就出現問題,所以他們很容易迷路,無法辨識熟悉的環境。這三位科學家在大腦定位系統領域的前瞻性研究,有助於我們去理解空間記憶喪失的機制,進而幫助醫學界尋找此類疾病的治療方式。

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邱銘章

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