如果你外出散步后想回家，就需要知道自己相对于目的地的位置。为此，你需要知道自己面朝哪个方向，也要知道家在哪里。这对人类和其他动物来说似乎相当本能，那么我们是如何做到的？
我们对这个看似简单、实则颇为棘手的问题的理解刚刚取得了进展：Michael Chadwick及其同事撰写的一篇 新论文 发表于《当代生物学》，指出了大脑中本能方向感的所在，即我们朝向目的地的方向感来自何处。
从任何地点成功导航到目的地，一种方法是学习并记住周围环境的信息，并利用这些信息确定自己的方向。然而，学习这些空间信息的过程表明，大脑中必定有某种地方储存着这些信息的表征。这可以被视为一种神经元地图——一种对空间进行编码的方式，将周围环境的信息映射到脑细胞上。
随着方向改变，实用的方向感也必须随之更新。 Chadwick/Jolly/Amos/Hassabis/Spiers/Current Biology， CC BY
这样的地图能让你找到四周的路——这是任何动物生存所必需的重要能力。过去几十年来，研究大脑如何储存空间信息，以及这些信息如何帮助我们高效地找到方向，一直是研究者持续投入的重点。
在大脑中寻找地图
20世纪70年代末，研究人员在大脑一个名为 海马体的区域，在大鼠身上发现了所谓的“认知地图中心”。研究表明，当大鼠经过实验场地中的特定区域时，某些神经元会放电。后续研究显示，这些神经元与空间密切相关，因此被命名为 位置细胞。
随后，研究问题转向究竟学到并记住了什么信息。通过一组巧妙的实验，研究人员发现，大鼠会编码并储存与距离和方向都有关的信息。距离信息储存在海马体的一部分—— 内嗅皮层中，这些细胞被称为 网格细胞。
动物移动时，这些网格细胞会以镶嵌式图案放电，其作用似乎有点像方格纸，为动物提供所行距离的感知。方向信息则储存在 头部方向细胞中；当动物面朝特定方向（例如北方）时，这些细胞便会放电。
所有这些信息都会传入位置细胞，由它们整合起来——因此，我们确实可以认为海马体包含着自己的内部空间地图。这一发现对我们理解大脑运作意义重大， 2014年诺贝尔生理学奖 因此授予了John O’Keefe——他最早发现了位置细胞——以及Edvard和May-Britt Moser，他们发现了网格细胞。
因此，我们大致了解了动物如何编码心理地图，以及它们如何知道自己面朝哪个方向。但要利用这张地图并遵循方向感，动物还需要知道家在哪里。论文作者确定了这类信息储存在大脑何处，以及人类或动物可能如何利用这些信息来确定方向。
内在罗盘
在实验中，研究人员让人类受试者探索并熟悉一个虚拟现实环境，随后要求他们完全凭记忆判断目的地位于哪个方向。与此同时，研究人员使用 功能性磁共振成像（fMRI）扫描受试者的大脑；这种技术通过监测血流变化来测量脑部活动。
研究人员观察受试者在完成导航任务时哪些神经元放电及其活动模式，发现活动集中在内嗅皮层，这表明该区域是大脑的“内在罗盘”，也是这种方向感的来源。
有趣的是，当一个人面朝目标方向时，神经元放电模式与其仅仅想象目标方向时的模式非常相似。研究人员认为，大脑可以利用神经元的这一特性，在不实际移动的情况下模拟预定方向。他们推测，头部方向细胞会从一种作用切换到另一种作用：起初参与表征当前朝向，随后切换为模拟目标方向。这样，神经元便能帮助规划回家的路线。
大脑这一区域的活动强度与一个人的导航能力有关：活动越少，方向感就越不准确。阿尔茨海默病等疾病最先受损的大脑区域之一也是这里，这或许可以解释为什么迷路和意识混乱是患者常见的早期问题。
本文由 The Conversation合作发布。本文的刊发并不意味着世界经济论坛认可其中的观点。
如需了解论坛：议程的最新动态， 请订阅我们的每周简报。
作者：Theresa Burt de Perera是牛津大学动物学副教授。Tim Guilford是牛津大学动物行为学教授。
图片：2012年3月27日，伦敦Wellcome Collection的一场展览上展出了石膏颅相学头部模型，展示大脑的不同部位。路透社。