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作者：喻晨甯（本院生物醫學科學研究所徐經倫助研究員實驗室）

「我是誰？我從哪裡來？要往哪裡去？」這三則生命終極叩問，在人工智慧與機器人技術蓬勃發展的今日，這些涉及自我定位、個體與環境關係的問題，成為科學研究的核心議題：我們更致力於釐清生命體與生俱來的空間定位與導航機制。

2014年諾貝爾生理醫學獎得主 Edvard I. Moser 教授，正是揭示此大腦機制的關鍵人物。Moser所代表的，是挪威在二十世紀中後葉所積累的解剖學與神經生理學傳統，在二十一世紀初開花結果的耀眼成就。Edvard Moser在與理論科學社群的深入互動、學術傳統薰陶與技術革新下，藉由挪威國家科學委員會的10年計畫支持，上昇至世界頂尖學者的高度；帶著那種斯堪地那維亞實事求是、堅毅低調的性格，挪威卻鮮少和臺灣神經科學社群有所連結。2026年3月27日，Moser蒞臨本院生物醫學科學研究所，發表題為「The Brain's GPS: How We Know Where We Are」的演講，由生醫所徐經倫助研究員主持並進行來訪前的學術準備，開啟國際交流契機。

認知地圖的發現

囓齒類海馬迴的解剖學結構與人類高度相似，因此腦科學家能藉由觀測大鼠的神經活動，一窺大腦編碼空間資訊的奧秘。

二十世紀中葉，美國心理學家 Edward Tolman觀察到大鼠在迷宮中具備「走捷徑」能力，這說明老鼠的行為模式不僅基於「刺激—反應」式的簡單試誤學習，而是在腦中構建了環境表徵（representation）的心智結構。Tolman進而提出動物腦中存在一種處理環境資訊的「認知地圖」，使其能以世界中心（world-centered)的參考坐標系理解整體空間，而非僅以自身中心（self-centered）的方式來理解視野中的世界。

位置細胞與網格細胞

1971年，神經科學家 John O’Keefe 將電極植入大鼠海馬迴CA1區域，記錄單一神經元的放電模式。他發現某些神經元僅在動物位於環境中特定位置時活化，遂將其命名為「位置細胞（place cells）」。研究發現，每個位置細胞都在環境中對應一個特定的「位置場（place field）」，當動物移動時，多個位置細胞依序活化，其群體神經編碼便構成了對環境導航的認知。這一成果使Lynn Nadel與John O’Keefe認為科學家在大腦中找到了 Tolman 所提出「認知地圖」的神經基礎。O'Keefe 後來亦因此成就榮獲 2014 年諾貝爾生理醫學獎。

2005年，Edvard Moser 與 May-Britt Moser 團隊試圖探究位置細胞的資訊來源，將電極植入 CA1 上游的內嗅皮質（entorhinal cortex）。他們在實驗中觀察到單一細胞有多個空間相關的放電位置，與位置細胞的乾淨結構相當不同，於是選擇更大的實驗場域來觀測單細胞的放電情形。這個關鍵改變揭示了也許是人類歷史上最為驚人與優雅的神經放電形式：有一群細胞在空間中的放電位置竟然是規律、緊緻的六邊形網格，而這些細胞被命名為「網格細胞（grid cells）」。

與位置細胞的單一位置場不同，一個網格細胞可以在多個位置放電，連結每個放電位置可見到優美的六角形排列。更奇特的是，網格細胞位置場的幾何關係並非完全均質。隨著電生理紀錄的解剖位置延伸到腹側的內嗅皮質，可觀察到不同模組（module）共同運作，不同模組內的網格細胞具有獨特的尺度（scale）、相位（phase）與方向（orientation）特性。多模組的網格細胞網絡在我們大腦中形成一套空間座標系統，使生物體擁有定位、導航，以及對記憶行為的背景脈絡（context）產生多尺度編碼的能力。

Moser獲得諾貝爾獎後，Moser 團隊仍持續深耕。近期研究指出，網格細胞所構成的空間導航系統，具有一定程度的預測與空間掃描能力，成為連結當下與未來空間理解的橋樑。研究團隊發現，網格細胞在theta腦波週期內，其空間編碼會由當下位置向行進方向進行左右掃描（left-right sweep）。這種交替的神經「探索」在老鼠空間行為上具有明顯的預測性：動物即將轉向之前，掃描方向能先於行為轉向。因此，演化所形塑的大腦運算能力，或能使生物體在行動之前，預先探索可能的空間與選擇。
神經群體動態運算與拓樸結構

隨著美國霍華休斯Janelia研究院推動的先進電生理技術的問世，科學家們如今能夠同時記錄數百乃至上千個神經元的活動。這帶來了一個新的挑戰：如何理解如此高維度的神經群體動態？

若將每一個神經元的活動視為一個維度，則每一時刻的神經狀態，可視為這個高維狀態空間中的一個點。隨著動物在環境中活動，神經狀態也會在高維空間中移動。Moser團隊發現，對網格細胞群體活動進行降維（dimensionality reduction）分析後，這些軌跡並非雜亂無章，而是規律地盤繞於一個甜甜圈形狀的結構上——數學上稱之為「環面（torus）」。這種神經動力學的幾何詮釋，揭露了大腦運作最深刻的奧秘，Edvard與May-Britt也一舉確立了從上世紀90年代開始一系列數學理論學者猜想的直接證據。

環面流形（toroidal manifold）的發現，意味著網格細胞群體在一個具有嚴格拓樸性質的低維流形上運作。更令人驚訝的是，無論老鼠處於清醒或睡眠狀態，這個低維流形的活動形式都存在，只是詳細的運動方式不同。

在大腦在缺乏外部感覺輸入的情況下，證實大腦的確內部存在一個完全由內部動力系統驅動的內在表徵，強化了內在「認知地圖」存在的神經生理學證據。在參觀徐經倫老師的研究室時，Moser教授也瞭解到本院團隊已經開始透過「神經像素」（Neuropixels）與活體細胞內記錄技術，掌握包括海馬迴在內多個上下游腦區在空間學習過程中上千細胞的動力系統特性與可能的學習法則，並提出珍貴的見解（圖二）。

究竟，生物腦中這張認知地圖究竟是與生俱來的，亦或是後天習得的？Guardamagna 團隊追蹤了幼年小鼠在極早期發育階段的大腦活動演變，發現幼鼠在尚未進行空間探索前，其網格細胞已「自發」建構出拓樸結構；在眼睛睜開前，此結構已演化出美麗的環面流形。伴隨探索行為展開，這些內在神經表徵才逐漸與真實的感知空間產生連結與對應關係。這樣的「前視覺」神經幾何可能和神秘的內在感覺（Interoception），尤其是本體感覺有關，這也和本院的研究強項有呼應與契合之處。

阿茲海默症與基礎科學

我們往往對與生俱來的空間巡航能力習以為常，直到功能受損時，才發現這份這份能力的複雜與不可或缺。阿茲海默症是高齡化社會中的嚴峻挑戰，早期病徵便包含內嗅皮質與海馬迴的萎縮；致病的類澱粉蛋白質往往從網格細胞所在的區域開始產生，其病灶再向外擴散。

演講末尾，主持人向Edvard教授提問：作為一名深耕基礎研究的神經科學家，近年推動阿茲海默症研究中心的建立，是否對於科學的轉譯應用有具體的看法？Moser的回應不僅為其學術生涯，也為本次中研院之行留下美好註腳：人類從來都沒有預測哪些基礎知識可以改變世界的智慧，但科學對文明與技術的衝擊在歷史上反覆發生，從未停止。因此，基礎科學是解決現實世界問題最重要的資產。