梅根·霍尔：当你放飞一只信鸽时，它是如何知道回家的路的？我们如何在城市街道上导航而不迷路？约翰·奥基夫发现了大脑中帮助动物和人类知道自己在空间中的位置的细胞。
2014年，他因其在揭示大脑中处理记忆和学习的特殊网络方面的工作，与布伦达·米尔纳和马库斯·赖希尔共同分享了卡弗里神经科学奖。同年，他还获得了诺贝尔奖。
《大众科学》定制媒体与卡弗里奖合作，与约翰讨论了他的研究和该领域的未来。
霍尔：如果可以的话，约翰·奥基夫会永远呆在学校里。事实上，他尝试过。在为航空航天工程学位而苦苦挣扎后，他设法进入了纽约市立学院。
约翰·奥基夫：我当时就像一个在糖果厂里的孩子。我热爱那里的每一刻。我选修了电影制作课程，我选修了英国文学课程，我选修了物理课程，我选修了工程课程，我还选修了心理学和哲学课程。
霍尔：但是，他在学院的学习最终不得不结束。
奥基夫：这位院长把我叫进来说，你不能就这样一直上课下去。你必须离开。
霍尔：神经科学在约翰毕业的那一年才出现，但他已经有过研究大脑的经验。
奥基夫：然后我很幸运，那里有一些人是脑研究的先驱。我被实验的虫子咬了一口，我真的很喜欢做实验。
霍尔：在研究生院，约翰继续进行实验，这次是观察猫和老鼠在移动时的大脑。为此，他将细导线外科植入动物的大脑中，并将这些导线连接到头顶上的一个小放大器。
奥基夫：然后，这将使我们能够存储该信息并将其与动物的行为相关联。
霍尔：约翰说，大脑中有很多细胞是安静的。它们大部分时间都不放电。他认为，如果他的团队能让一个沉默的细胞说话，他们就可以找出它说话的原因。
奥基夫：所以我们会让动物做各种各样的事情，然后，突然间，细胞就会发出“哔哔”的声音！它就像醒来一样，它只会“哔哔”一声，就像那样。然后你会说，啊，现在，现在我逮到你了！
霍尔：他们很快在猫的大脑中发现了对各种事物做出反应的细胞——鸟叫声、老鼠……
奥基夫：例如，不同的食物，一些细胞会对一种口味的猫粮做出反应，而另一些细胞会对另一种口味做出反应……
霍尔：大约在同一时间，约翰的卡弗里奖同事布伦达·米尔纳正在研究一位患有严重癫痫病的患者，他曾接受过手术切除大脑的一部分，称为海马体。癫痫发作通常始于海马体，因此医生认为这会有所帮助。但手术还有其他后果。
奥基夫：布伦达出色地查明了这个家伙到底出了什么问题。问题是，他失去了很大一部分记忆。
霍尔：约翰受到了启发，并决定将他的动物研究重点转移。
奥基夫：所以我想，好吧，如果我要真正做到本垒打，那么我应该去寻找大脑的这一部分，海马体中的记忆细胞。
霍尔：他很快看到了更多的沉默细胞，这些细胞在实验期间几乎不放电，除非动物在特定位置。
奥基夫：当动物走到我们正在记录的小盒子的一部分时，细胞什么也不会说。如果我们让动物走到盒子的另一部分，出于同样的原因，细胞开始放电。所以这不是因为它去喝水或吃东西——而是因为它要去哪里。
霍尔：约翰称这一发现为位置细胞。它们让他想起了心理学家爱德华·蔡斯·托尔曼提出的一个理论。
奥基夫：他提出了动物，当然也包括人类，大脑中都有小地图的想法。他没有说太多。
霍尔：约翰猜测他发现的位置细胞可能在这个所谓的认知地图中发挥作用。
奥基夫：地图是一系列位置，但你还需要将它们连接在一起。你需要知道这个位置，比如教堂，如何与另一个位置，比如学校，连接起来。你需要知道一些距离和方向之类的东西。所以几乎立刻，我开始思考所有这些事情。
霍尔：他认为，如果你的大脑里有一张小地图，由你在空间中移动时放电的位置细胞激活——这可以帮助你记住其他事情，比如你昨天去了哪里，以及你和谁说过话。
奥基夫：因此，它可能是人们所说的人类海马体实际参与的记忆系统的基础。
霍尔：随着时间的推移，其他科学家在海马体附近的区域发现了也与位置相关的细胞——告诉动物头部指向哪里的细胞，以及跟踪距离的其他细胞。约翰说，它们共同作用，让动物对自己的位置有感知。
奥基夫：所以他们有所有这些细胞，然后问题是，你如何将它们组合在一起？这就是数学家变得非常非常重要的地方。
霍尔：约翰和他的同事仍在研究方程式，以解释这些细胞之间是如何相互关联的。但他们也专注于另一个重要的问题——他们所了解的关于动物大脑的一切如何转化为人类？
霍尔：为了找出答案，他们使用了虚拟现实游戏。一开始，唯一可用的游戏是基于枪支和可怕的惊喜，所以他们不得不花费数月的时间来剥离任何可能让人感到恐慌的东西。
奥基夫：最后，我们得到了一个非常漂亮、非常大的 70 米乘 20 米的环境，里面有各种各样的东西。它有电影院，它有酒吧和台球厅。
霍尔：然后，他们将人们连接到脑部扫描仪上，并要求他们在虚拟空间中寻找东西。
奥基夫：我们发现，这不仅激活了大脑的两个部分，海马体，还激活了顶叶皮层，它本质上是海马体的助手……大脑某个部分的活跃程度与该人导航能力的好坏之间存在相关性。
霍尔：事实证明，在导航能力特别强的人（出租车司机）中，海马体的一部分实际上更大。
奥基夫：然后，当他们不再是出租车司机时，大脑又会缩小。
霍尔：但是，海马体和与导航相关的细胞也可以警告我们大脑的弱点。它们是我们看到痴呆症（尤其是阿尔茨海默病）早期迹象的地方。
奥基夫：我们从阿尔茨海默病的小鼠模型中记录，发现位置细胞在动物中实际上不太好，而且许多动物不太擅长识别位置。
霍尔：他们在人身上也看到了同样的情况。约翰说，他们认为这些空间问题是某人患有阿尔茨海默病的第一个迹象。这些症状在他们明显患上这种疾病的几十年前就开始了。
奥基夫：因此，我们的想法是尝试提出非常敏感的空间导航和空间记忆测试，这将使我们能够尽早测试大量人群。我们希望能够在他们 30 岁左右时做到这一点。
霍尔：约翰希望这些精心设计的测试——检查一个人的空间感和位置感——能够捕捉到这种痴呆症的早期阶段。他现在正在设计这些测试。与此同时，我们是否应该做一些具体的事情来避免痴呆症？比如开出租车或关闭 GPS？
奥基夫：在现阶段，人们得出的结论是你应该过上美好的生活。
霍尔：约翰说，不要吃太多，锻炼身体，拥有一群好朋友，不要吸烟。
至于想要在该领域开创新天地的年轻科学家，他说追求一个新想法可能会很孤独。你不会被邀请参加很多会议……没有很多人可以交谈。所以，选择一个你热爱的话题，这样你才能承受一路上的坎坷。
霍尔：约翰·奥基夫是伦敦大学学院的认知神经科学教授。 2014 年，他与布伦达·米尔纳和马库斯·赖希尔共同分享了卡弗里神经科学奖。卡弗里奖旨在表彰在天体物理学、纳米科学和神经科学领域取得突破的科学家——改变我们对宏大、微小和复杂事物的理解。卡弗里奖是挪威科学与文学院、挪威教育与研究部以及美国卡弗里基金会之间的合作伙伴关系。
这项工作由《大众科学》定制媒体制作，并由卡弗里奖赞助完成。