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  • 为什么有的人总“找不着北”?

        张田勘

        回家的路怎么走?听见这个问题,估计很多人都会发笑:回家的路还能找不到吗?

        但现实生活中,有些人真的“找不着北”,不是忘了自己的车停在什么地方,就是不知左右方向,更甚者找不着回家的路。这些异于常人的表现并非是他们的大脑有认知障碍,而是天生难辨方向。科学家发现,大脑中有两种细胞决定着你是否是个“路盲”。

        1. 

        人的方向感由位置细胞引导

        在地球上的动物中,人的方向感没什么优势,只属于二维动物。我们在陆地上寻找方向尚可,到了空中、海洋、沙漠和森林,就需要地面导航、雷达导航和记忆导航的帮助。而在空中和海洋生活的动物,如鸟类、鱼类,都是三维动物。它们可以凭借自己大脑中的导航系统,根据前后左右上下的立体坐标找到方向,或瞄准目标捕食,或返回故乡孕育后代。

        英国伦敦大学学院教授约翰·奥基夫最早发现了动物和人的大脑中的位置细胞,并认定它们是构成大脑定位系统的关键细胞之一。

        1971年,奥基夫在记录小鼠大脑内海马体单个神经细胞信号的过程中注意到,当小鼠位于房间内某一特定位置时,一部分神经细胞会被激活;当小鼠在房间内的其他位置时,另外一些细胞显示激活状态。小鼠在到达一扇门或一堵墙时,有不同的神经细胞被激活。这提示,被激活的细胞就是小鼠感知自身位置的位置细胞,这些位置细胞并非只是简单接收视觉信息,而是在构建小鼠辨识所在房间的大脑地图。

        海马体会根据不同的环境产生大量的地图,这些地图在动物所处不同环境时由大量神经细胞共同作用而形成。因此生物体对环境的记忆,可以用海马体中神经细胞特定激活组合的方式来进行存储。

        由此,奥基夫和美国亚利桑那大学的神经科学家纳达尔共同撰写了一本专著《海马是一个认知地图》,描述了大脑中的海马是如何帮助动物和人定位的,其本质就是,海马是大脑中一种内在的定位系统。

        2. 

        “路盲”因大脑细胞未激活?

        仅有位置细胞不足以防止“路盲”,还必须有运动和空间位置(三维)导航才能让人有正确的方向感。其实,人的大脑中同时存在着二维和三维的导航工具,前者是位置细胞,后者是网格细胞。

        挪威科技大学教授爱德华·莫泽和同为该大学教授的妻子梅-布里特·莫泽通过实验发现了网格细胞的作用。当小鼠经过广阔和复杂的地形时,小鼠大脑临近海马体的另一个名叫内嗅皮层部位的神经细胞被激活。这些细胞会对特定的空间模式或环境产生反应,它们在整体上构成网格细胞。这些细胞组成一个坐标系统,就像人们绘制地图以经线和纬线来划分不同方向和位置的坐标一样。

        他们把小鼠装入盒子中让小鼠奔跑,并连接上计算机,以图形来显示它们的前进方向,结果形成了清晰的呈六边形的网格形状,就像一个蜂巢。但盒子里并没有六边形状存在,这一形状是在小鼠的大脑内抽象地形成并叠加于环境中的。这意味着小鼠可以通过网格细胞把空间分割为蜂窝那样的六边形,并且把运动轨迹记录在蜂窝状的网格上。

        网格细胞能够判断自身头部对准的方向以及房间的边界位置,它们与位置细胞相互协调,构成一个完整的神经回路。这个回路系统形成了一个复杂而精细的定位体系,就是大脑中的定位系统。

        虽然“路盲”的准确原因还需要更为详尽的研究来破译,但大体上可以推论其原因是大脑中的位置细胞和网格细胞功能减弱,或细胞数量较少,或细胞没有完全被激活,因而出现了导航能力较差,或不能导航等问题。

        3.

        想更认路不妨学习出租车司机

        大脑中位置细胞和网格细胞的发现,令约翰·奥基夫、爱德华·莫泽和梅-布里特·莫泽获得了2014年诺贝尔生理学或医学奖。

        找到最佳的方向和交通线路快速回家,不只是节省时间,节约钱财,还可以保障人的生命安全。时有发生的被困在山区、森林的驴友的死亡悲剧就是最好的例子。

        “路盲”与位置细胞和网格细胞的功能有关,但也与记忆有关。位置细胞和网格细胞就是一种感知方向的记忆细胞,因此,通过训练和实践是可以更好地辨别方向、改变“路盲”状况的。

        英国研究人员发现,伦敦出租车司机具有辨别方向的“超强大脑”,而且是后天训练出来的(其他城市的出租车司机也一样)。要成为一名伦敦出租车司机很不容易,除了要躲避行人和双层巴士外,还要通过称为“知识”的一套严格培训考试,记忆复杂的街道情况。

        2000年,英国伦敦大学学院的神经生物学家马圭尔和伍利特发现,与其他成年男性相比,伦敦出租车司机的海马体体积更大,形状也不同,这说明大脑中的这一区域对于空间记忆来说至关重要。由于适者生存和用进废退的原理,出租车司机大脑里的位置细胞和网络细胞功能比普通人要强,且有可能这类细胞比普通人更多。

        几年后,马圭尔和伍利特对伦敦的新出租车司机再次进行研究,在接受培训前、培训中和培训后测量司机的脑部,并将司机的“知识”测试成绩与脑部扫描结果进行对比。结果显示:在培训开始前,海马体体积没有区别;培训之后,通过测试的司机的海马体体积变得更大了。

        当时,尚未获得诺贝尔奖的爱德华·莫泽便认为,这个结果证明人的大脑海马体中隐藏着一幅能够标明人们所处空间位置的地图。不过,这一研究更能证明的是,出租车司机之所以会记得伦敦市的大街小巷,而且能用最近的线路和最短的时间把客人送到目的地,原因在于他们的职业在帮助其进行强化训练。他们记忆的基础是大脑海马体,而这个海马体比一般人的大,位置细胞和网格细胞比一般人多,其功能也比一般人强大,所以才有出色的方向感。

        根据这个原理,路盲者不妨向出租车司机学习,别总宅在家中,应外出学习辨路识方向。由此,逐步刺激自己大脑中的位置细胞和网格细胞发挥功能,提高辨认方向的能力。

        4.

        人工智能有望像

        “大脑”一样导航

        现在,有另一种方式可以为人们指路,这就是人工智能。

        英国伦敦大学学院的研究人员牵头开发了一种AI模拟系统,将人工神经网络中自动出现的网格结构与一个更大型的神经网络架构结合,形成人工智能体。结果发现,这一人工智能在游戏迷宫中向目的地前进的导航能力超越了一般人,而且它能像哺乳动物一样寻找新路线和抄近路。

        这种人工智能的定位单元类似于人和小鼠大脑中的网格细胞,被称为网格单元,能自动生成与大脑细胞活动非常相似的网格模式。比较而言,网格细胞能帮助小鼠自动找到方向和捷径,网格单元也能够指导小鼠寻找捷径,并具有超越人类的巡航能力。

        也就是说,这种人工智能与现有导航软件的不同之处在于,它不完全是大数据的统计和模拟,而是具备了智能认路的功能,能够在陌生环境中,找到正确的道路,甚至捷径。这种人工智能的定位方式,与人和生物在亿万年演化中形成的生物指南针高度一致。

        物理网络模式能证明生物的网络模式,并且两者可以重叠,再次证明了人和动物寻找方向是依赖大脑中的位置细胞和网格细胞。未来要做的研究是,如果这种人工智能可以设计为手表,或者植入进手机中,那么,它就完全可以成为路盲者的导航工具。

        延伸阅读

        鸟类和海龟认路 或因能感应地球磁场

        有一些研究表明,海龟游弋万里和鸟类飞行千里并非依靠参照物来辨认位置,因为在浩瀚的海洋和有云雾遮挡的苍茫天空,是无法看清参照物的。因此,它们的大脑定位系统可能依据的是地球磁场。

        瑞典研究人员对斑马雀和德国研究人员对欧洲知更鸟的研究均发现,鸟类视网膜上的Cry4蛋白质可能是它们能够看到磁场的原因。此前,Cry4蛋白被认为与昼夜节律或生物的睡眠周期有关。这两种鸟类的Cry4水平在迁徙季节中表现出更高的水平。这被视为鸟类的一种生物指南针。

        对海龟的研究也发现,海龟的头部拥有一些具有磁性的粒子,可以帮助海龟感应地球磁场,以此来确定自己在海洋中的确切位置,并修正自己的航道。

        这些研究向人类传递的线索是,可以通过仿生来借鉴鸟类和海龟辨认方向的能力,有助于航天和航海。

  • 你是不是比别人跑厕所更“勤”

        蔡士铭  李月红

        我们中的有些人,跑厕所总是比一般人要“勤”。他们自己也感到奇怪:并不比别人喝水多,为什么尿得比别人频繁呢?

        这种“频繁”有的并无大碍,有的却可能是某些疾病的警示信号。

        正常人白天平均排尿3-5次

        正常人白天平均排尿3-5次,夜间排尿不超过2次,每次尿量200-400ml。如排尿次数超过正常,即为尿频。

        导致尿频的原因有很多,大体可以分为生理性、精神性和病理性。

        生理性尿频的原因较为多样,可概括为三类:首先是自身原因,性别、年龄、发育、身材、体重等各异,泌尿系器官发育有所区别,排尿次数就会不一样;其次是环境因素,如天气寒冷,排尿会更加频繁,气温降低时人体通过汗腺排出的水分减少,尿液排出就会增加;第三是食源性因素,如饮水增加,或食物本身含水量高或含有利尿作用,如西瓜、梨、冬瓜、咖啡和酒等,也会导致排尿次数增加。

        精神性因素导致的尿频,多为紧张、焦虑、抑郁、失眠或癔症人群。如果尿频对生活造成了困扰,要及早到医院进行检查和治疗。

        哪些尿频是病理性的

        以下尿频是病理性原因造成的。

        1、尿崩症以多尿为典型表现。它是因下丘脑-神经垂体病变引起精氨酸加压素(AVP,又称抗利尿激素)不同程度的缺乏,或由于多种病变引起肾脏对AVP敏感性缺陷,导致肾小管对水的重吸收功能障碍,引起的临床综合征。前者为中枢性尿崩症,后者为肾性尿崩症,临床表现为多尿、烦渴、低比重尿或低渗尿。

        2、糖尿病表现为多食、多饮、多尿。因体内血糖过高,大量的葡萄糖从肾小球滤出,过多的葡萄糖不能全部被肾小管再吸收,形成高渗透压导致渗透性利尿,引起多尿和尿频。

        3、泌尿系感染,如膀胱炎、肾盂肾炎、尿道炎、前列腺炎等。除了尿频,还可有尿急、尿痛、发热等症状。

        此外,膀胱容量减少,大多因膀胱挛缩、结石、结核、肿瘤占位等导致,存储尿量少,排尿的次数就会增多;膀胱受到压迫,如妊娠期增大的子宫或卵巢囊肿等,也可以尿频。尿道口周围病变、中枢神经系统疾病、神经源性膀胱(控制排尿功能的中枢神经系统或周围神经受到损害而引起的膀胱尿道功能障碍)、盆底肌肉松弛、多次盆底手术史等也会导致尿频。

        如有异常及时检查指标

        如果有了上述非生理性的尿频,就要当心是否为精神性或病理性尿频。这类人群要留意细节,及时就诊排查病因。

        一是留意尿频可能的诱因,记录每日小便次数和尿量;

        二是除了尿频之外,注意有无尿急、尿痛症状,警惕泌尿系感染;

        三是进行尿常规、肾小管功能、血糖和肝肾功能检查,看看指标是否有异常;

        四是进行泌尿系彩超,排除结石、肿瘤、前列腺增生等疾病;

        五是进行膀胱及盆底肌肉训练,加强膀胱及盆腔肌肉功能;

        六是避免摄入含咖啡因的饮料,如咖啡、茶、奶茶,以及酒和辛辣食物;

        七是便秘会增加膀胱压力,所以平日需要保持大便通畅;

        八是避免精神紧张和焦虑,根据病因对症治疗。

        (作者:清华大学附属北京清华长庚医院肾脏内科医师)

  • 美研究人员开发
    口服胰岛素胶囊

        周舟

        胰岛素

        美国科研人员最新开发出一种口服胰岛素胶囊,未来有望替代皮下注射,供2型糖尿病患者日常使用。

        日前发表在美国《科学》杂志上的研究显示,这种胶囊约一颗蓝莓大小,胶囊内的一枚小针头可将药物“注射”到胃壁下的血管中。动物实验显示,其降血糖效果与皮下注射相当。

        这种针头由纯冻干胰岛素针尖和生物可降解的针杆组成,针头被固定在一个压缩弹簧上,弹簧被糖包裹。当胃中的水将糖溶解后,弹簧会释放出来,将针尖扎入没有痛觉神经的胃壁,约一小时后会完全释放进血液,而胃壁下注射避免了酸性的胃液降解胰岛素。弹簧和胶囊的其他部分最终可通过消化系统排出。

        研究人员还从豹纹龟“自我复位”的能力中获得了启发。这种来自非洲的陆龟有高耸的龟甲,被翻转后可以挺身复原,由此研究人员设计出胶囊的形状,使其可以在胃中调整位置,保证针尖总能成功扎入胃壁。研究人员对猪进行的实验显示,这种胶囊可成功递送300微克的胰岛素,后来又将剂量增加到5毫克,这与2型糖尿病患者所需的胰岛素剂量相当。

        论文作者之一、哈佛大学医学院助理教授乔瓦尼·特拉韦尔索说,未来患者有望获得更轻松的服药方式,尤其对那些需要注射的患者而言。胰岛素只是其中一个典型例子,许多药物都有望适用这种方法。下一步,研究人员将继续进行动物实验,并争取对这种胶囊开展人体试验。

  • 压力太大?
    试试心想恋人

        王鑫方

        压力大怎么办?亚利桑那大学研究人员建议,不妨心中想想自己喜欢的人,或许有助控制血压。

        亚利桑那大学研究人员招募102名恋爱中的大学生志愿者,让每人把一只脚在3.3-4.4摄氏度的冷水中浸泡大约1分钟。研究人员把志愿者随机分为三组,第一组泡脚时身旁安静地坐着恋人;第二组按要求心中想着恋人;第三组回想日常一天的经历。研究人员测量所有人泡脚前、泡脚时和泡脚后的血压、心率和心率变异性。

        人体在冷水刺激下血管会收缩,进而血压暂时上升,心率加快。而这项研究所获结果显示,前两组志愿者血压低于第三组,且对恋爱关系满意度更高的,血压控制得更好。三组志愿者心率和心率变异性没有明显差别。

        研究人员在美国《心理生理学》双月刊刊载的论文中写道,心有所爱之所以可能有益健康,一个原因是这种亲密关系能让人更好地应对日常压力,降低包括动态血压变化和心率变异性在内的心血管反应性。“无论是工作、考试还是做手术,控制血压应激反应程度会让我们受益”。

        下一步,研究人员打算将研究对象扩展至更多年龄群、更大规模。如果研究结果一致,他们有可能创新治疗方法,帮助人们应对日常精神压力。

        本版供图/视觉中国