点对点

20年前，美国空军太空司令部宣布全球定位系统全面投入使用，几年后，它将成为世界各地平民的指南针之于早期水手。如今，这种卫星技术被植入智能手机和安装在仪表板上的设备中，它会发出友好的电子声音，指引我们去任何我们需要去的地方。然而，这种技术上的便利并没有阻止心理学家探索从我们自己的生物学中产生的复杂导航技能。

在过去的几十年里，心理学研究揭示了大脑中一个复杂的映射系统，在过去的几年里，这个系统的新方面被发现。这项研究已经成为该领域备受赞誉的一项努力:2014年诺贝尔生理学或医学奖授予了三位欧洲心理学家，约翰·奥基夫(伦敦大学学院)和梅-布里特·莫泽和爱德华·莫泽夫妇(挪威科技大学)，以表彰他们对大脑自身“GPS系统”的开创性研究。

在对动物和人类进行的实验中，心理学家已经从单个细胞的水平一直到更高层次的认知网络，对大脑自身的GPS能力有了了解。这项关于空间定向的研究关注的是大脑对路线进行编码以备将来参考的能力，它可能会对情景记忆和损害情景记忆的认知障碍产生新的见解。

三个脑细胞

导航处理的许多基础工作都涉及动物研究，随着时间的推移，这些研究揭示了控制空间方向和方向的细胞活动模式。奥基夫的工作可以追溯到20世纪70年代，当时，他使用附着在老鼠头骨上的微电极，发现当老鼠处于特定位置时，海马神经细胞总是活跃的。这些“位置细胞”似乎不仅记录了老鼠看到的东西，也记录了它们没有看到的东西，给了它们周围环境的完整画面。O 'Keefe和他的同事，美国科学院院士Lynn Nadel(亚利桑那大学)在1978年出版的一本很有影响力的书中概述了他们对这个地图系统的理论，海马体作为认知地图．

其他心理学研究人员在此基础上构建了大脑映半岛体育官方网址入口射系统的详细图像。1990年，心理学家Jeffrey Taube(达特茅斯学院)、已故的Robert Muller和James rank(纽约州立大学下州医学中心)当时在纽约州立大学健康科学中心的生理学系发表了一项关于另一种有助于我们的空间方向感的脑细胞——“头部方向细胞”的研究。他们报告说，当动物的头部指向一个特定的方向时，这些头部方向细胞就会放电，不同的神经元会对不同的头部方向放电。

2005年，梅-布里特·莫泽(May-Britt Moser)和爱德华·莫泽(edward Moser)作为访问博士后在奥基夫的实验室与他一起工作，他们发现了第三种神经细胞——“网格细胞”(grid cell)，这种细胞帮助老鼠定位和记忆所走过的距离，从而确定了大脑导航系统的另一个重要组成部分。当老鼠在实验室里走动时，这些位于内嗅皮层(大脑中对导航和记忆至关重要的区域)的细胞会根据老鼠的位置以独特的六边形模式发光。

这些结果与O 'Keefe早期的发现相结合，显示了位置、头部方向和网格细胞如何使老鼠能够确定它们的空间方向并在它们的环境中导航。

科学也有证据表明，这些导航能力是天生的。由苏格兰邓迪大学的行为神经学家罗斯蒙德·兰斯顿和伦敦大学学院的托马斯·威尔斯以及其他同事领导的研究发现，啮齿动物的头部方向、位置和网格细胞似乎在生命的早期就开始发挥作用。

兰斯顿和他的同事们记录了幼鼠开始探索环境时的大脑活动。他们发现这三种类型的导航神经元从一开始就在运作，并且它们以特定的顺序成熟:头部方向细胞首先成熟，其次是位置细胞，然后是网格细胞。所有三种导航细胞类型在幼崽一个月大时都完全成熟了。

这些发现表明，大鼠的大脑在探索性刺激下具有空间感和方向感的基础。

“重新映射”

最近，像Taube这样的科学家以新的方式探索了这些细胞的信号传导。Taube的实验室记录了老鼠大脑中引导动物从一个地方到另一个地方的细胞活动。2012年发表的一项研究中自然神经科学他和博士后研究员斯特凡·瓦莱里奥(Stephane Valerio，现任职于法国波尔多塞格伦大学)描述了老鼠的空间导航系统在犯错并到达一个意想不到的目的地时的反应。

根据他们的实验结果，当一只老鼠稍微偏离目标终点时，细胞就会重置，固定在动物可以识别的地标上。但是，如果老鼠迷失了方向，在寻找家的过程中犯了一个很大的错误，动物就会创造一个全新的认知地图，头部方向细胞的定向放电模式会发生永久性的变化。换句话说，老鼠的大脑“重新映射”了。

Taube承认，其他人已经谈到了重新映射和重置，将这些功能视为相同的过程。他说:“我们在这篇论文中试图论证的是，它们实际上是两个不同的、独立的大脑过程，我们用经验证明了这一点。”“为了继续研究空间导航，特别是如何纠正错误，你必须区分这两种性质不同的反应。”

方向感

许多研究表明，包括人类在内的其他哺乳动物的大脑中也有一个与老鼠相似的空间编码系统。2003年，心理学家阿恩·埃克斯特罗姆在布兰代斯大学的论文中首次报道了人类位置细胞。加州大学戴维斯分校的心理学副教授埃克斯特罗姆在《科学》杂志上发表了他的研究结果自然．在2013年发表于自然神经科学哥伦比亚大学认知脑动力学实验室负责人约书亚·雅各布斯(Joshua Jacobs)领导的团队报告了对人类网格细胞的识别。

以人类为实验对象的实验进一步阐明了导航的概念，包括“路径细胞”的作用，它指示了旅行中的定向运动。雅各布斯和他的同事们在2010年发表了一项关于大脑通路细胞的研究美国国家科学院院刊．雅各布斯在宾夕法尼亚大学进行的多学科研究表明，在虚拟环境中的导航过程中，当一个人在环形道路上顺时针行驶时，一个单独的路径细胞就会激活，当这个人在逆时针行驶时，它就会沉默。通过表示方向，这些路径细胞补充了编码位置的位置细胞。

在APS研究员迈克尔·卡哈纳的指导下，雅各布斯和他的同事们让神经外科病人玩一种虚拟导航视频游戏黄色的出租车．患者使用手持操纵杆“驾驶”一辆出租车，顺时针或逆时针穿过一个圆形的虚拟城镇，到达一个随机选择的目的地。通过在患者大脑中植入电极，研究人员能够记录1400多个神经元的放电情况，并检查每个患者大脑活动与行为之间的关系。半岛体育官方网址入口

这项研究表明，路径细胞与位置细胞协同工作，告诉我们我们在哪里，我们要去哪里。

伦敦的课程

个人的导航能力会随着经验而增强吗，还是基本上是固定不变的?一些答案可以在伦敦出租车司机的大脑中找到。十多年前，研究人员发现，这些必须在世界上最复杂的半岛体育官方网址入口街道系统之一中行驶的出租车司机，具有非典型的大脑特征。具体来说，就是他们的后验
海马体——大脑中与空间记忆有关的区域——比其他人的大。

伦敦大学学院的心理学家雨果·斯皮尔斯和他的同事们最近在一个虚拟实验中模拟了伦敦出租车司机的经历，并得出结论:潜在的导航能力的大脑处理过程比之前认识到的要复杂得多。研究表明，我们在大脑的不同区域计算两种类型的距离。

Spiers和他的团队招募志愿者，并要求他们记住伦敦Soho区的地图，该地区以其蜿蜒的街道和复杂的路口而闻名。然后，参与者在导游的带领下参观了那个社区。第二天，斯皮尔斯和他的团队对志愿者进行了功能磁共振成像扫描，并让他们观看了在繁忙的Soho街道上旅行的各种视频。在一些视频中，GPS引导参与者通过该地区到达指定的地标。但在另一些实验中，参与者的任务是自己导航到达目的地。研究人员半岛体育官方网址入口分析了他们在旅行的不同阶段的大脑活动:为目的地设定路线，在旅行中跟踪目的地，在十字路口做决定。

研究小组发现，当志愿者第一次不得不考虑他们的目的地时，到目标位置的直线距离是由内嗅皮层的活动发出的信号。但在剩下的旅程中，当他们在街角记录方向和做决定时，同样与导航和记忆有关的后海马体的活动记录了到达目的地所需的路线距离。

在Spiers和他的同事看来，这为伦敦出租车司机独特的大脑特征提供了一些解释。

“我们的研究结果表明，正是海马后部处理路径的日常需求导致了他们灰质的惊人扩张，”斯皮尔斯说。

斯皮尔斯的研究结果还揭示了当我们使用GPS设备或应用程序到达目的地时，我们的大脑会发生什么。fMRI测量显示，当参与者使用类似gps的指令到达终点时，内嗅皮层和海马体后部的活动相对减少，整体大脑活动也普遍减少。

GPS的缺点

事实上，一些科学家已经提出了担忧，即对新导航技术的日益依赖可能会导致我们天生的制图技能萎缩。例如，德国曼海姆大学的心理半岛体育官方网址入口学家Stefan m nzer和东京大学的认知科学家石川彻(Toru Ishikawa)等研究人员在实验中发现，尽管使用GPS设备的人在到达目的地的途中比使用传统地图的人犯的导航错误更少，但他们对路上经过的地标记忆较少。GPS设备会根据用户的位置不断调整自己的方向。换句话说，它们没有编码可用于后续目的地旅行的标记。想想你有多少次不得不使用GPS来引导你去一个你去过不止一次的地方。

一项发表在心理科学阐明技术导航对认知的潜在影响。作者Julia Frankenstein, Betty J. Mohler, Heinrich H. b lthoff和Tobias Meilinger在德国宾根马克斯普朗克生物控制论研究所合作，发现在一个没有gps的世界里，人们经常依靠他们对地图的记忆来进行空间参考。

在这项研究中，26名在宾根市生活了至少两年的人戴上了虚拟现实头盔，头盔上显示了该镇的三维逼真模型。参与者从他们熟悉的地点开始，但被雾包围，除了最近的环境外，周围的一切都被雾遮住了。然后，他们必须指向一个看不见的地方，比如大学的正门或消防站。场景发生了变化，参与者的观看方向也发生了变化(例如，朝北，朝东)。当参与者面朝北方时，他们的指指方向最准确，偏离北方越远，他们的指指方向就越差。

研究人员能给出的唯一解释是，参与者都在某个时候看到半岛体育官方网址入口并内化了一张宾根地图，而西方地图的方向都是一样的:朝北。这一发现表明，对于某些任务，比如指向一个位置，我们依赖于心理地图作为解决空间谜题的快速方法。

但在实际的实地旅行中，人们似乎依赖于不同的参考点。在一周后进行的后续实验中——再次使用城市的虚拟三维模型——同样的参与者沿着熟悉的路线“走”到一个遥远的目标，在键盘上指示他们的路线决定。研究人员报告说，他们回忆路线的反应时间和错误与之前使用指指点点的实验结果没有关联。半岛体育官方网址入口此外，当被要求从地面、基于导航的角度而不是从恒定的空中角度做出回应时，参与者的路线错误更少。

研究小组说:“这意味着，在日常环境中，人们会根据最适合的任务使用地图或导航知识。”

这些科学家警告说，对GPS设备的日益依赖最终可能会抹去我们记忆中的地图。他们强调，我们需要不断练习我们的空间能力，以保持敏锐，即使我们有工具为我们做这项工作。

“如果有人不在乎了解环境，那完全没问题，”梅林格说。“但如果他们的手机坏了，他们完全迷路了，他们不应该抱怨。”

在未来，这种对大脑导航能力的不断深入的了解可能会促进对阿尔茨海默病和其他形式的痴呆症状的理解和治疗。脑成像研究表明，海马体和内嗅皮层是阿尔茨海默氏症患者最先表现出妥协的区域。导航研究提供了一些解释，解释了为什么某些形式的痴呆症患者很难找到路，甚至在熟悉的环境中也会迷路。

爱德华·莫泽将在2016年总统研讨会上发言APS年会5月26日芝加哥零下29度。

参考资料及进一步阅读

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