人脑真的有“书呆子细胞”吗？

当美国国家航空航天局成功地计算出火箭飞行轨迹的时间和速度时，你印象深刻吗?奥斯陆大学的一项新研究表明，你的大脑有一个“书呆子中心”，能够进行更复杂的计算。

如果你在上班的路上迟到了，你看到公交车来了，就拿着你的咖啡跑过去赶，你可能已经打败了NASA。大脑中的神经细胞进行数十亿次复杂的数学计算，计算出你的速度、位置和方向。多年来，大脑计算这些参数的能力一直是个谜。

经过5年对连续吸引器网络(continuous attractor network，CAN)理论的研究，奥斯陆大学基础医学研究所的Charlotte Boccara和她的科学家团队取得了突破，目前他们在挪威分子医学中心(NCMM)工作。

“我们是第一个明确证实人类大脑中确实存在由CAN理论提出的‘书呆子细胞’或‘超级计算器’的人。我们发现神经细胞可以同时对速度、位置和方向进行编码，”Boccara说。

1400个神经细胞

Boccara分析了分布在大鼠大脑多个区域的1400个神经细胞。最近，她与博士研究员Davide Spalla和研究员Alessandro Treves在《自然通讯》上发表了一篇文章，题为“海马旁回路中的角速度和线速度细胞（Angular and Linear Speed Cells in the parahippocampal Circuits）”。

“我们给鼠配备了小的大脑探针，探针上有非常薄的电极，可以读取它们的大脑活动。之后，它们可以在迷宫中自由移动，寻找美食。我们可以用相机跟踪它们的动作，从而将它们的动作与我们所记录的许多神经细胞的活动联系起来，”Boccara解释道。

Boccara的研究小组使用了一种先进的数据分析方式，彻底调查了大脑几个区域的所有皮层层发生了什么。这涉及到对大量数据集的系统检查。这项新研究是John O'Keefe, May-Britt和Edvard Moser(2014年诺贝尔医学奖)开创性工作的延续，他们表明单个神经细胞可以为一个导航坐标系统编码——大脑的GpS系统。

这是一块缺失的拼图，可能对老年痴呆症的研究很重要

Boccara研究的CAN理论已经在科学家中广泛流行了几十年。简而言之，它提出，当我们四处走动时，我们的心理地图或我们发现自己所在位置的表征会根据我们的新位置不断更新自身。CAN理论假设一个隐藏的神经细胞层执行复杂的数学运算，并汇编大量关于速度、位置和方向的信息，就像美国宇航局的科学家在调整火箭轨道时所做的那样。

在此之前，隐藏层的存在只是一个没有明确证据的理论。现在，我们已经成功地找到了强有力的证据，证明这种大脑的‘书呆子中心’确实存在，这样，我们就填补了缺失的一块拼图。

Boccara和她的团队发现这一隐藏层的区域正是大脑中在阿尔茨海默病发作时最先受损的部分。

“我们的发现很重要，因为这些细胞告诉我们我们在哪里，我们如何移动。如果它们停止工作，就会有一只迷路，”Boccara解释道。了解大脑编码的内在机制可以用于开发新的治疗方法。

为什么Boccara发现的神经细胞分布在大脑的不同部位?它们是否可以执行多个不同的任务?

“在这里，我们有一些理论:一些细胞起备份作用，或者它们执行单独的计算，也就是说，一些细胞计划，而另一些细胞对以前的经验作出反应?”

在任何时候，大脑都被感官体验(视觉、感觉、听觉)狂轰滥炸。为了调整自己的行为，这种混乱必须有意义，才能创造出与之前经历过的类似情况的记忆相一致的图像。例如，我看到公共汽车来了，我能感觉到咖啡是热的;我以什么速度跑到公共汽车前才不会烫伤自己?

近年来，研究界已经证明Boccara感兴趣的大脑区域参与了比空间位置映射更多的任务。那里的神经细胞也可以绘制声音和奖励。现在，她想知道他们发现的细胞是否有能力执行其他任务，除了计算速度和方向。

“但如何感知这种现象取决于你的经历。例如，如果你遇到了一个名叫Ola的人，并成为了你的伴侣，你对Ola这个名字的认知方式将会发生显著的变化。因此，分类的过程必须随着时间的推移而更新，书呆子中心也可能参与到这个过程中。这是一个值得进一步研究的有趣领域，”Boccara说。

Boccara现在想知道糟糕的睡眠是如何影响书呆子细胞的计算能力的。

她说:“我想知道，当我们睡眠太少时，大脑工作更慢的原因是否与这些细胞的异常活动有关。”

由奥斯陆大学提供

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Nature Communications