大腦細胞與城市規劃有什麼聯繫?


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大腦細胞與城市規劃有什麼聯繫?

在鋼筋混凝土的城市叢林裡,我們大多數人會不時迷路。儘管如此,我們的大腦在“導航”(尋找正確方向)方面確實非常了不起。即使我們在日常上下班途中走神了,大腦仍然能夠把我們安全地送達目的地——科學家認為,這很大程度上要歸功於我們“海馬體”(大腦中與記憶有關的一部分)中的“位置細胞”。

“位置細胞”是2018年公佈的一個生物物理學新名詞。它是大腦定位系統的一個重要組成部分,會對環境中的特定位置有反應,並在你處於該位置時變得相對活躍。它最早在老鼠的“海馬體”中被發現,後來在囓齒動物、蝙蝠、猴子和人類的大腦中都發現了它。

什麼是位置野

研究人員做了一個實驗,將老鼠放在一個空曠的方形房間裡,並觀察它的跑動(老鼠只能沿著地板面活動,因為沒有任何可供攀爬的東西)。他們對老鼠的位置細胞進行實時監視,並記錄下它變活躍時老鼠所處的位置。這樣,他們最終得出了每個位置細胞對應的響應位置,這些位置後來被稱為位置細胞的“位置野”。在該實驗中,老鼠的位置野通常是圓形的,直徑大約是38~64厘米。

位置野是動物所處環境中的一小塊區域,當動物位於該區域時,就激活了動物“海馬體”中的某個位置細胞。不同的位置細胞可能有不同的位置野,當動物到一個新環境時,位置細胞的位置野也立即更新。想一想,同樣是黑燈瞎火的情況,在熟悉的家中是不是也比在陌生的環境中更容易識別方向?這是因為我們的位置細胞已經形成了家裡各種路線和對象的“位置野”,而在陌生環境中這部分內容是完全嶄新的。

不過,在上述實驗中,老鼠所處的環境是完全空曠的、平面的(2D),這種環境它在實驗室之外幾乎不會遇到。真實的環境比實驗環境要復雜得多——最大的不同是真實環境很多時候是立體的(3D)。

那麼,如果在更加複雜(3D)的環境中,位置細胞如何反映這個環境中的位置呢?

水平移動更易感知

為了回答這個問題,英國倫敦大學學院神經科學家格里夫斯設計了一個新的實驗——“老鼠導航實驗”。他建造了一個3D格子架,並將老鼠置於其中:老鼠可以任意爬來爬去,可以沿著地板面平行移動,也可以攀爬架子上下垂直移動。

格里夫斯想知道,在這種環境下,老鼠位置細胞的位置野是什麼樣的。他首先提出了兩種猜測。

第一種猜測是,位置野可能是圓形的,因此一個位置細胞將只對平行於地面的位置做出響應,而不管老鼠向上爬了多少格。第二種猜測是,位置野是球形的,因此位置細胞會把高度考慮進去,並且僅在老鼠位於地面上特定位置且處於特定高度時位置細胞才響應(這個假設源自對埃及果蝠的研究,該果蝠的位置細胞具有這種形狀的位置野)。

實驗過程中,格里夫斯發現,老鼠的位置細胞大致符合第二種猜測:它的位置野呈細長球體的形狀,例如橄欖球。

一般而言,位置野在垂直方向上比在水平方向上更寬長。這很重要,因為這意味著位置細胞在垂直方向上的準確性較低。換句話說,位置細胞能更精確地知道老鼠在地面上(水平方向)的位置,而不是在空中(垂直方向)的高度。

一個原因可能是因為老鼠更傾向於水平移動而不是垂直移動。它當然可以上下爬,但它往往會花費大部分時間沿著地板行走。它的位置細胞可能只是沒有針對垂直移動進行適時優化。

另一個原因可能是,老鼠在垂直方向上的運動更加困難(相比橫向移動,縱向移動需要克服重力),這使它們更難以衡量自己“走”了多遠。

為了更好地活動

這項研究可以幫助我們了解人腦如何進行導航,因為人的“海馬體”是導航的關鍵,而它與老鼠的類似。就像老鼠一樣,哺乳動物通常主要在2D環境中行走。但是,隨著社會文明的發展,我們人類的環境變得越來越3D——典型的代表有高樓大廈、橋樑和一些地下的結構等。

這些在老鼠身上的發現表明,我們的大腦已經被調整到了我們習慣的導航方向:平行於地面。由於我們的世界大部分地區都像建築中的地板一樣,平坦地擺在我們面前。即使我們駕駛飛機或者潛艇,我們的移動仍然經常平行於地面。

然而情況並不總是這樣。在未來的外太空,人類將面臨真正的3D導航。由於沒有重力,就不會有一個更難移動的方向,例如,對實驗室中的老鼠來說,這個方向就是往3D格子架的垂直軸上爬。到目前為止,我們還不知道在沒有重力的情況下我們的位置細胞會做什麼,更重要的是,我們是否能夠像在2D世界中一樣高效地導航?

無論是在地球上還是在外太空,環境的整個架構最終都會對我們的導航能力產生重大影響。如果周圍有很多地標,那麼我們就能夠知道自己身處哪裡,我們將能夠更好地導航;在一個不對稱的空間裡,我們也能夠更容易定位自己;如果我們從不同的角度體驗了某個環境(環境的熟悉度得到提高),那麼在這個環境中我們也能很好地辨別方向。

知道我們是如何導航的——尤其是在復雜的環境中,對建築和城市規劃領域具有重要的意義。研究導航的目的,不僅在於了解我們的大腦如何工作,還在於利用這些信息將我們周圍的世界規劃得更適合在其中活動。

神經科學與城市規劃之間的這種協作,誕生了一個新興的產物——“有意識的城市”,一個為考慮人類的需求和行為而構建的環境。

總之,我們未來的城市越複雜,神經科學研究的指導越重要。