200多年前，德国哲学家康德（Immanuel Kant）曾主张，某些心理能力作为先验知识而存在，独立于经验。他认为，空间概念是心智的一种内置原则，我们通过且必须通过这种内置原则感知世界。后来，行为心理学家提出，头脑中对外部环境的认识会形成一张“认知地图”，让动物找到方向。

***终，神经科学家跨越几十年“接力”，为这个问题揭晓了答案：他们在大脑中发现并确定了一套由不同神经细胞组成的定位导航系统，正是这套“内置GPS”让大脑创建出识别周围环境的地图，使我们可以在复杂的环境中为自己导航。2014年，大脑“内置GPS”的三位发现者被授予诺贝尔生理学或医学奖。

“海马地图正在持续为您导航”

1970年，John O’Keefe开始了对大脑海马体的研究。就在他攻读博士学位的加拿大麦吉尔大学（McGill University），心理学系的科学家们此时已经对一位***的失忆症患者亨利•莫莱森（简称为H.M.）展开了持续十多年的研究。他们确认，亨利在做完双侧颞叶内侧（包括海马体及其周围结构）的切除手术后，再也无法对日常生活形成新的记忆，也很难回忆起有关过去经历的具体情节。因此，海马体对于记忆的重要性引起了全世界的关注。

O’Keefe来到英国伦敦大学学院，利用新发展的技术，开始和研究生Jonathan Dostrovsky一起，用电极在大鼠的海马体中记录神经细胞的信号。大鼠的海马解剖结构与人类非常相似，科学家希望借此深入了解记忆的存储和检索方式。

▲人和鼠的脑结构示意图

几个月时间里，他们一边观察动物在自由移动时的各种自然行为，一边监测海马中各类神经细胞的电活动。在这个过程中，有一类细胞的放电模式相对“安静”，而且完全出乎意料。这些神经细胞会以不规则的间隔突然开始活跃，与动物的行为看起来找不出什么相关性。

突然有一天，在记录一个漂亮的神经细胞时，O’Keefe迎来了他的灵感时刻：“我意识到，这些细胞并不感兴趣动物正在做什么或为什么正在做什么，它们感兴趣的是动物在环境中的位置！”

他们将记录到的细胞称为位置细胞（place cell），表征在环境中的不同位置。不同位置细胞的活动组合在一起，创建出代表特定环境的内部地图。

▲左图描述了大鼠在空地中的移动轨迹，当动物到达特定位置时，海马

在O’Keefe看来，现在他们或许为康德所说的先验的空间感找到了神经基础。

很快，在1971年发表的短短三页的论文中，O’Keefe总结了他们的发现。他写道：“这些发现表明，海马体为大脑的其余部分提供了一张空间参考地图。没有这张地图，动物无法知道怎么从环境中碰巧所在的位置通过任何特定路线到达特定位置……”

除了发现位置细胞的存在，O’Keefe对于这张认知地图的特征和功能还有一些猜测。比如，动物能以灵活的方式在环境中移动，大脑中除了一组表示当前位置的信息外，还应该可以根据环境信息和移动的距离、方向、速度等计算和预测自己的所在位置，就像飞机导航系统中使用的技术那样。此外，海马体发生病变对动物的行为会有怎样的影响，现在也可以有新的解释了。

起初，这些想法和猜测只是一篇简短的综述文章。但随着文献的搜集和梳理，第二年时O’Keefe与合作者Lynn Nadel博士的手稿已经多达几百页。***终，经过长达六年的写作和修改，他们出版了一本专著《作为认知地图的海马体》，涵盖了当时与海马体有关的几乎所有重要文献，并且试图把他们的想法置于有关空间感的哲学和心理学历史背景中。

水中的迷宫

在《作为认知地图的海马体》中，O’Keefe针对海马体如何参与空间导航做出了很多开创性的预测，其中不少预测超出了当时已有的数据，不可避免地遭到了一些怀疑。

当时在苏格兰圣安德鲁斯大学的Richard Morris博士是***早通过实验来检验O’Keefe这些预测的科学家之一。为了测试动物的空间记忆，Morris别出心裁地设计了一个游泳池。这个游泳池里装满了不透明的液体（通常是掺了牛奶的水），大鼠进入泳池后无法直接看见隐藏在水中的下沉式逃生平台，只有四处游动后才能发现平台并爬上去休息。

导航能力正常的动物，经过几次训练后，根据泳池外的房间线索，可以学会以***短的路径到达平台。然而，海马体受损的大鼠，难以顺利地找到水下平台，表明大脑内置导航系统失灵。

Morris设计的这套水迷宫简单但功能强大，用来测试海马体功能被证明是一种极有价值的方法。如今，以他名字命名的Morris水迷宫，是神经科学中使用***为广泛的行为学测试之一。

在挪威的奥斯陆大学（University of Oslo），这一天有两个年轻的学生拿着Richard Morris关于水迷宫的论文，走出了神经科学家Per Andersen教授的办公室。

这两个学生正在心理学系读研，但他们想要改行，跟随Anderson教授从神经细胞的角度研究记忆的形成机制。想进Anderson实验室的人很多，教授告诉他们，如果能成功制作出这篇论文里介绍的Morris水迷宫，就同意接收他俩进入实验室做硕士毕业论文。

两个年轻人凭借强大的动手能力很快完成了挑战，在接下来的几个月里，他们开始用水迷宫研究海马损伤与记忆缺陷的关系。这两个人就是Moser夫妇，May-Britt Moser和Edvard I. Moser，2014年诺贝尔生理学或医学奖的另两位得主。

海马之外的内嗅皮层

Moser夫妇在Andersen实验室一待就是好几年，做完硕士毕业论文后，又继续完成了博士论文。随后，经过Morris的介绍，Edvard I. Moser和May-Britt Moser来到John O’Keefe在伦敦大学学院的实验室，学习用植入的电极在自由移动的动物中捕捉大脑单个神经元的活动，他们想用这种技术探索海马体以外的神经活动是否会引导位置细胞放电。

他们的目光聚焦在了一个叫做内嗅皮层（entorhinal cortex）的结构。这个结构靠近海马体，位于大鼠大脑的背侧边缘，输出的信号大部分进入海马体的齿状回，随后连接到海马体的CA3，再到海马体背侧的CA1，也就是O’Keefe***发现位置细胞的地方。在内嗅皮层的内侧，Moser夫妇发现其中一些细胞果然也有着海马体位置细胞相同的特征，会在动物移动到特定位置时放电。

随后，当他们调整实验，让动物在更开放的空间里四处跑动时，内嗅皮层中一种新的细胞类型吸引了他们的注意。这些细胞的活动特征极不寻常：一个细胞在动物经过多个位置时都会被激活，而这些位置的坐标组合起来，呈现出了高度对称的六边形网格。

过去，从来没有人在任何其他脑细胞中看到过网格图案。于是，在O’Keefe发现位置细胞后的三十多年后，Moser夫妇在2005年发现了大脑内置导航系统的另一个关键组成部分：网格细胞（grid cell）。

▲内嗅皮层（右图蓝色指示部位）的网格细胞在大鼠经过六边形网格的节点时发放电信号

经过各种测试，Moser夫妇逐渐解读出了网格细胞的作用方式。他们发现，内嗅皮层的每一个网格细胞都会形成一套独特的坐标系统，放电模式遵循特定的网格间距和方位；而不同区域的网格细胞有不同的网格间距，从几厘米到几米不等。由此，网格细胞可以覆盖各种环境中的每一点，也可以测量空间中不同点之间的距离。

除了O’Keefe发现的位置细胞和Moser夫妇发现的网格细胞外，科学家们还发现了其他一些参与创建认知地图的细胞。

例如，James Ranck在1985年***描述了头部朝向细胞（head direction cell），它们就像指南针，在动物的头朝向某个方向时就会活跃起来。还有一些科学家找到了O’Keefe用理论模型预测到的边界细胞（border cell），动物在封闭环境中走到墙壁之类的边界时，这些细胞会活跃起来。

后续的实验中，Moser夫妇进一步探索了各类细胞之间的关系。他们表明，内嗅皮层就像表征空间感的计算中心，网格细胞嵌入由头部朝向细胞和边界细胞的网络中，许多情况下具有组合功能，它们又投射到海马的位置细胞，共同实现定位和导航。

人脑中的定位导航系统

虽然位置细胞和网格细胞***初都是在啮齿动物的大脑中发现的，随着脑成像技术的应用，以及对接受神经外科手术的患者进行研究，***近十多年里，科学家们也陆续在人类和其他哺乳动物的大脑中也发现了位置细胞和网格细胞系统。而且，不同动物中，海马体-内嗅皮层的结构相似性表明，大脑中的这套定位导航系统可能在脊柱动物的进化中是保守的。

在阿尔茨海默病患者中，海马体和内嗅皮层经常在疾病发作早期就受到影响，而这些患者常有的一个表现就是迷失方向，无法识别环境。理解人类大脑中的定位和导航系统，将有助于我们了解这种疾病的患者为何空间记忆会有毁灭性的丧失。

诺贝尔奖的官方报道指出，大脑定位导航系统的发现代表了一种范式转变，我们对特化细胞的集合如何协同工作以执行更高的认知功能有了新的理解，为理解其他认知过程，如记忆、思考和计划开辟了新的途径。