大脑中GPS的疑问和争议实质

                  GPS question and controversy in the brain parenchyma

           -----对诺奖得主莫泽夫妇的解密的理解和疑问

                        Moser couple new understanding and doubt

                   都世民 （Du Shimin)

                           一.引言

2016-01-30 13:59，光明网.《光明日报》发文：“我们如何辨识方向？解密大脑中的GPS”。

该文主要阐述2014年诺奖得主莫泽夫妇，为我们解密大脑中的GPS。【1】

笔直仔细拜读了这篇文章，就文中主要观点，根据本人的理解，对文中阐述的主要论述和笔者先前提出的疑问【2、3】，归纳整理成文。重点讨论莫泽先生所指出的争议，就本人的专业知识和脑科学的相关报道，还有笔者收集到的国内外业内专家的相关观点，讨论争议的实质。

                  二.对大脑中GPS的疑问 源自哪里？

2015年，《大自然探索》首刊上，发表“大脑中的GPS”一文。这篇文章是笔者最早见到的，解读2014诺贝尔生理学或医学奖。该奖得主挪威科学家莫泽夫妇和美国科学家奥基夫共同发现的【4】。该文用“位置细胞”和“网络细胞”两个概念来说明这一创意。在科学网，业内专家孙学军又发一文“医学诺贝尔奖获得者发现速度神经细胞”【5】，指出莫泽夫妇发现速度神经细胞概念。并作了点评。指出大脑中存在类似的GPS。其后，笔者在《环球科学》上看到权威性解读。“第五对诺奖夫妇”一文。作者艾莉森.阿博特（A1ison Abbott）。

这三篇文章将莫泽夫妇获奖背景及所作的贡献详情，用中文作了较为详细的介绍。笔者在先后学习中，习惯于自己从事几十年的电子专业视角，提出疑问和不解。还对相关试验提出一点建议。笔者认为对现代科技的热点和难题,需要多学科视角共同研究，提出自己的看法，不同视角会有不同的结论，这是必然。感谢莫泽先生亲自深度解密“大脑中的GPS”。

                        三.大脑中有导航系统吗？

莫泽先生认为大脑中有导航系统。其理由是：“对于神经系统更为复杂的动物，像是沙漠里的蚂蚁和蜜蜂，则拥有更多导航手段。其中一种与GPS相似的常用方法叫作路径整合，神经细胞通过实时监测动物相对于初始位置的运动方向和速度，并加以计算，获得当前所在的位置。通过这种方法，动物可以完全不依赖路标等外界因素，仅靠自身的神经系统就可以导航。对于脊椎动物，特别是哺乳动物，用于辨识方向的方法，在此基础上又进化地更为先进。”笔者从电子学角度审势这一看法，觉得类似GPS的看法缺少以下证明：

1. GPS系统运转必须有能源，卫星上用太阳能供电。地面设备用交流或直流电。大脑的能源是什么？一种可能是血液循环系统供给能量；二是脑内有未知的电池；三是有体外能源非接触式供电。这几种假设能否成立，被生物学家忽略了！【7】

2. GPS系统的卫星与地面终端的联系是利用无线电波传输各种信息，速度是光速。笔者非常关注人体内有没有电磁波？如果有电磁波就有天线【8】。大脑里有“天线”吗？笔者至今未发现天线的存在。

国外有一篇报道：“光基因学新工具有望治疗感光受体退化性眼病患者”，发表在科技日报上。该文报道的是瑞士和德国科学家研究团队对小鼠视觉进行的实验研究【9】。文中指出黑视素的光天线概念，笔者提出疑问，“黑视素的“光天线”说法靠谱吗？发表在光明网和科学网论坛上。【10】

3. GPS系统是以网络形式控制和运转。内嗅皮层上的网格细胞，虽然有上下之别，不具有天上和地下的空间差异。

4. GPS系统是人为的，不是天然形成的。用微纳层面的神经元不能将上述诸因素一 一对号入座。

5. 令人不解的是细胞怎样给动物运动定位，并且导航。笔者想到电子导航的海、陆、空移动物体的定位和导航，其中还包含目标识别和成像。关于“路径整合”的概念不是GPS导航和定位的核心问题。

实际上电子系统的导航广泛应用于海、陆、空各类武器系统和民用设施。主要有以下类别：一是有源雷达系统，它通过天线向外辐射电磁波，辐射功率决定目标定位的距离，并且由天线接收目标反射回波信息，由计算机进行数据处理，系统有指挥中心，有供电分系统，对实时检测数据可在荧屏上成像。另一类是无源雷达系统，它不辐射电波，而是利用空间已有的电磁波照射移动目标，接收回波信息。此外还有在红外和激光波段，不限于微波和毫米波进行导航。无源雷达系统探测目标的方式与人脑定位功能有相似之处。光波是动物活动环境所具有的，将视觉感官看成两部无源雷达站，获取信息，由视神经传输信息。再由脑皮层处理和分析信息，形成视觉。

光波作用于视觉器官，使其细胞感受兴奋，信息经视觉神经系统加工后便产生了视觉。通过视觉，可以感知到外界物体的大小、明暗、颜色、运动等信息。光线经过眼球最终投射到视网膜上，然后通过视神经传递到中枢神经系统。这一过程主要涉及四级神经元。视觉形成过程可表示为：
光线→视网膜（形成物像）→视神经（传导视觉信息）→视交叉→外側膝状体→初级视皮质（形成视觉）。

在视觉信息传导过程中至少被4类不同的神经元加工过：感光细胞、双极细胞、神经节细胞和外侧膝状体细胞。视觉信息只有传到脑的视皮质，并经过处理、分析，才能形成主观的视觉感受。在视觉加工的功能特异性方面，视觉信息处理在脑皮层内形成两条通路：
一是枕颞叶通道，主要功能是识别客观物体。另一个是枕顶叶通道主要功能是与空闻知觉和运动控制有关。【11】以上叙述是考虑视觉感官的存在，它与大脑的关联形成的信息过程。如果只考虑大脑中的位置细胞、方位细胞和速度细胞，怎么能确定动物或人在移动中的位置和导航？！

                四.大脑中的认知地图真的存在吗？

大脑中的认知地图真的存在吗？

认知地图是否存在？莫泽先生回顾了业内专家的研究“认知地图”进程和自己的诸多发现。笔者阅后有了更进一步理解，非常感谢！

笔者结合文[6]仔细思考，为什么我还不认同“认知地图”的存在？其理由如下：

1) 大脑是“生化傀儡”吗？

莫泽先生全文解读和结果表明：大鼠的脑活动被看成“电生化装置”，也就是说，试验有误导人相信大脑是“生化傀儡”。[12]

2) 忽略了时空差异和链接；

整个试验实际上是有两个层面，一是大鼠在笼子里或房间里运动；二是微电极植入鼠的大脑，包括海马区和内嗅皮层区。这之间链接在莫泽先生解读中未提及，实际上是微电极取出的电信号，通过电流不是电磁波，连结到计算机，再通过编程，将信号展现在屏幕上。这实际上是将微观层面与宏观层面链接在一起，这样做的合理性是试验目的需要。可是试验方法却隐藏了以下思考：微观层面的定位与宏观层面定位有时空双重差异，在数学上应该有座标变换；在物理上有信号转换、能量差异、物理量量纲差异等多参量的不同，是不能混为一谈的。

我们应该先思考老鼠在微观层面怎样确定：东、南、西、北、中、上、下，即四面八方。这正如中国佛经《金刚经》所指出的：“若菩萨不住相布施，其福德不可思量。须菩提，扵意云何？东方虚空可思量否？不也，世尊。须菩提，南、西、北方、四维上下虚空可思量否？”[13]

地图必须体现这四面八方虚空。在微观层面与宏观层面是不同的，是怎么链接的？是试验编程完成的，不是鼠脑完成的。两个层面比例尺怎么定？在细胞层面距离是纳米量级，在宏观层面是厘米以上量级，鼠移动距离和速度与细胞传递信号的速度和距离是不同的，时间更不同。
3) 忽略了感官属性；

单一感官定位和六个感官定位是有区别的,在莫泽先生的试验中被忽略了，按中国佛学指出的：人的感官应有六个，即眼、耳、鼻、舌、身、意。笔者认为动物或人认路与感官有关。如果莫泽先生用盲鼠重复你们先前做的试验，会有相同结果吗？前提是什么都不变。只换鼠。如果结果都一样，说明认知地图与感官无关。[11]

4) 忽略了能源或电源)差异；

生物学家和医学家都知道动物和人有血液循环系统，它与神经系统有什么关系？细胞层面的离子通道和膜电位的电源在哪里？是血液供电吗？大鼠在宏观层面运动的耗能与微观层面的耗能应该有区别？这能量对脑活动的影响是什么？

5) 忽略了外界环境的影响；

动物与人的大脑活动是感官与外界环境的自适应所产生的信息，莫泽先生的试验忽略了这一因素的影响。

6) 忽略了联想和想象；

任何一个人在去一个新地方，当他返回住所，他必须找地面标志物或路标，如果没有路标，又找不到高处标志物，他就可能迷路。因为认路是通过感官形成信息，与脑神经系统相连，经信息处理和传输后，再储存。储存在哪里是有争议的。莫泽先生认为存储在细胞里。也还有人认为存储在基因里[14]。也有人认为存储在宏观层面。[15]有人认为存储在突触里[16].

就存储和回忆而言，大脑是通过联想和想象，先分类，再按树状结构存储或创新。笔者赞同英国专家所提出的思维导图概念，这可以增强记忆，这种做法充分体现了大脑运行过程中有自主思维。这对于转化短期记忆为长期记忆，对于创新都十分有益。[17]但是思维导图是二维，即平面形状结构，笔者认为是三维，即树状立体结构比较合理。否则一个人的一生中存储的信息会杂乱，无法提取。树状结构好理解，是非线性、并行、复杂结构。

                            五.结束语

莫泽先生在文中最后指出：“正如许多未知领域一样，我们知道得越多，未知的东西也就越多。”对大脑的研究需要多学科专家共同参与，大脑毕竟不是电脑，也不是耗电的机器。笔者认为大脑是复杂的、非线性的并行系统。

正如我们看一座大山，可以从四面八方去研究，去拍摄它的照片，去分析它的表面结构和内在的成份，去研究它形成的机理，去剖析它动态变化，……。不同的视角会有不同的看法和结论。那将是十分漫长的探索历程！谢谢莫泽先生！谢谢环球科学编辑部和译校老师。谢谢光明网！

                                参考资料

【1】撰文 梅-布里特·莫泽（May-Britt Moser），爱德华·莫泽（Edvard I Moser）翻译 吴好好，“我们如何辨识方向？解密大脑中的GPS”，光明网.《光明日报》，2016-01-30 13:59。《环球科学》杂志社供稿。

【2】都世民，生物学家跨界的说法要验证吗？！--------对第五对夫妇得诺奖的疑问，光明网论坛，2015—10—22.http://bbs.gmw.cn/thread-3437474-1-1.html。

【3】都世民，小宇宙有GPS系统吗？---评议《大自然探索》发表的“大脑中的GPS”一文，本文引用地址：http://blog.sciencenet.cn/blog-1339385-862397.html  此文来自科学网都世民博客。

【4】杨先碧，“大脑中的GPS-指引我们找到回家的路”，大自然探索，四川科学技术出版社主办，2015年第一期，52-57。

【5】孙学军，医学诺贝尔奖获得者发现速度神经细胞 ，2015-7-17，

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature14622.html。本文引用地址：http://blog.sciencenet.cn/blog-41174-906050.html  此文来自科学网孙学军博客。

【6】艾莉森.阿博特（A1ison Abbott），译者汪梅子，“第五对诺奖夫妇”，来源：环球科学，2014年12期。

【7】都世民，人体有望变成什么电池？ 光明网论坛，2015-7-22 13:44:27。

【8】五颗星护航北斗走向国际， 来源：中国科学报 ，2016/2/2 7:34:36。

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2016/2/337715.shtm

【9】，“光基因学新工具有望治疗感光受体退化性眼病患者”，科技日报，2015年5月12日。

【10】都世民，“黑视素的“光天线”说法靠谱吗？”里，光明网论坛，2015-5-19 11:21:36。http://bbs.gmw.cn/thread-3326942-1-1.html。

【11】都世民，“从感官切入研究脑机制”， 来源：光明网论坛，2016-1-3.  http://bbs.gmw.cn/thread-3486766-1-1.html.

【12】“我们只是“生化傀儡 ”, 文 埃迪.纳米亚斯Eddy Nahmias译 黄翔 ,校 梁君英, 来源：环球科学，2015年6期，p81-83。

【13】金刚般若波羅蜜經，时代文艺出版社出版。

【14】大脑把记忆存在哪，环球科学，2015年第5期，P13。

【15】复杂性思维----精神和人类的计算动力学,[德]克劳斯，迈因策尔  著,曾国屏 苏俊斌译,

上海辞书出版社.

【16】钟振余(宁波大学)，记忆信息与大脑神经元固有频率的关联性， 来自科学网，2016-1-25，本文引用地址：http://blog.sciencenet.cn/blog-1724380-952482.html  此文来自科学网钟振余博客。

【17】启动大脑,[英]博赞( Buzan,T.)著；卜煜婷译，一北京：化学工业出版社，2015.1

书名原文：  Use Your Head。

                                               都世民