从实验到理论
那么，网格细胞和位置细胞之间到底有着什么样的关系呢？我们需要什么样的大脑环路，才能最终形成一个完整的定位系统呢？这个定位系统的背后，又有着怎样的数学理论？包括奥基夫和莫泽夫妇在内，很多实验和理论神经科学家进行了大量的新探索。
一种理论模型认为，网格细胞和位置细胞之间具有简单的前馈层级关系（feedforward hierarchy）：把具有不同网格大小的网格细胞的输入相叠加，就可以直接形成位置细胞独特的位置野，从而构成整个定位系统。
然而，这一模型受到了最近一些实验数据的质疑。新的实验数据和数学模型认为，两者并不是简单的上下游关系，而更可能是一种互补的并列关系，并且整个系统的构成也复杂得多。
一方面，大脑中的“认知地图”（即海马位置细胞的位置野）并非主要来源于内嗅皮层中的网格细胞，而可能来源于莫泽夫妇和其他团队后来在内嗅皮层中发现的“边界细胞”（boundary cell）。这类细胞只有在动物相对于空间边界有特定距离和特定方向时才会兴奋，类似于一个带有指南针的防撞检测器。内嗅皮层中的边界细胞给海马中的位置细胞提供了环境依赖（context-dependent）的输入，这为海马认知地图在不同环境中的形成、存储和切换提供了可能。
另一方面，网格细胞则接受一种非环境依赖的（context-independent）输入，主要来自大脑中其他区域感知自身运动（self-motion）的信号，例如视觉光流（optical flow）和前庭（vestibular）信号。网格细胞进而通过一种被称作“连续吸引子网络”（continuous attractor network）的结构，对这些描述运动速度及加速度的信息进行处理，得到关于动物最近运动轨迹的路径积分（path integration）。这个过程如同在大脑中进行“惯性制导”（inertial navigation）。
因此，位置细胞和网格细胞构成了大脑定位系统中功能上互补的两个部分，分别提供基于外部环境和基于自身运动的空间定位信息。此外，它们之间还能通过丰富的双向连接（reciprocal connection）来交换信息：网格细胞为位置细胞提供可以支持惯性制导的坐标系统，而位置细胞帮助网格细胞把坐标系统锚定在外部环境上，以适应不同的空间，并修正惯性制导过程中的累积误差。有趣的是，大脑中这样的安排，竟和工程师所设计的导航系统不谋而合！
大脑定位系统与工程师设计的导航系统之比较 最新的实验证据和理论模型认为，除了位置细胞和网格细胞以外，大脑中的定位系统还包括其他多个与编码空间信息相关的细胞类型或者脑区，其工作机制可能与工程师所设计的导航系统十分相似。
奥基夫和莫泽夫妇所发现的位置细胞和网格细胞，以及他们之后的一系列工作，不仅回答了关于动物空间感知和导航的一些基本问题，更重要的是，通过主导这一领域40多年的探索，他们与众多研究者一起开创了一套系统神经科学领域的完整范式，即从实验发现、理论假说、计算预测再回到实验发现的螺旋式结构。正是实验、理论和计算三者的紧密结合与相互促进，才使得我们能够从细胞、环路到网络等不同层次，去理解大脑定位系统的结构和功能。(https://www.daowen.com)
当然，这种理解仍不完整，甚至还相当粗糙。例如，我们对于大脑定位系统运行机制的理解还主要停留在理论模型阶段，尚缺乏精确的实验证据来支持不同元件对于动物认知功能的直接因果关系；我们对于认知地图的“重新映射”等复杂过程还没有合理的理论解释，对于位置-网格定位系统内部以及和其他脑区间的信息交流也不清楚。最后，尽管有证据表明阿尔茨海默病患者的空间记忆减退与人脑中海马位置细胞的退化有关，但要真正阐明其病理机制或者推进临床应用，还有待时日。如果这些都成真的话，我们也许就能期待属于大脑定位系统的下一个诺贝尔奖了。
（审稿：王佐仁）
参考文献
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