在GPS定位出現(xiàn)之前,人類必須自己來確定方位,而不是依靠屏幕上的箭頭所指出的精確的街道路線。我們需要通過記住地標(biāo)以及利用時(shí)間、速度和距離之間的關(guān)系來確定方位(例如10分鐘的快速步行大約相當(dāng)于半英里的距離)。 近日,美國(guó)約翰·霍普金斯大學(xué)的一項(xiàng)新研究為我們揭示了動(dòng)物是如何在頭腦中構(gòu)建出一幅“地圖”的。論文的作者之一、約翰霍普金斯贊維爾克里格心智/大腦研究所博士后助理Manu Madhav說:“大腦中的海馬體和鄰近腦區(qū)幫助我們認(rèn)識(shí)到我們所在的位置。通過研究這些區(qū)域神經(jīng)元的放電模式,可以更好地了解我們是如何在腦中繪制位置圖的。”相關(guān)結(jié)果于2月11日發(fā)表在在《自然》雜志上。 大腦會(huì)接收到兩種有助于繪制這幅地圖的線索:第一種是外部地標(biāo),比如街道盡頭的粉紅房子,或者是一塊褪色的地磚,通過這些人們會(huì)記住標(biāo)記某個(gè)位置或距離。“第二種線索來自于一個(gè)人在世界上的自我運(yùn)動(dòng),比如有一個(gè)內(nèi)部速度計(jì)或一個(gè)步數(shù)計(jì)數(shù)器?!闭撐牡闹饕髡逺avi Jayakumar說,“通過計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)的距離——根據(jù)你的速度,或者加上你的步數(shù)——大腦可以估計(jì)你已經(jīng)走了多遠(yuǎn),即使在沒有可以依賴的路標(biāo)的情況下。”這個(gè)過程被稱為路徑整合。 但是,如果步行10分鐘,你對(duì)自己步行距離的估計(jì)是恒定的還是會(huì)受到近期經(jīng)驗(yàn)所影響呢?為搞清這個(gè)問題,研究小組研究了在環(huán)形軌道上跑圈的老鼠。他們將各種形狀投射到軌道上方類似的穹頂上作為地標(biāo),并以與老鼠相同的方向或相反的方向移動(dòng)這些形狀。就像在電腦游戲中一樣,路標(biāo)移動(dòng)的速度取決于動(dòng)物在每一時(shí)刻的奔跑速度,在這樣的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)環(huán)境下,大鼠會(huì)認(rèn)為自己跑得比實(shí)際速度慢或快。 在這些實(shí)驗(yàn)中,研究小組研究了大鼠的“位置細(xì)胞”,即海馬神經(jīng)元,當(dāng)動(dòng)物在熟悉的環(huán)境中到達(dá)特定區(qū)域時(shí),這些神經(jīng)元就會(huì)被激活放電。當(dāng)大鼠認(rèn)為它跑了一圈又回到了同一個(gè)地方,位置細(xì)胞會(huì)再次被激活放電。通過觀察這些神經(jīng)元的放電模式,研究人員確定了大鼠對(duì)它自身運(yùn)動(dòng)速度的估計(jì)情況。當(dāng)研究人員停止投射這些形狀,讓大鼠只能通過自我運(yùn)動(dòng)信號(hào)(例如,它們的內(nèi)部速度計(jì))來引導(dǎo)它們時(shí),位置細(xì)胞放電的地方顯示老鼠仍然認(rèn)為它們跑得比實(shí)際速度快(或慢)。研究人員說,因?yàn)橛辛嗽鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的地標(biāo)的經(jīng)驗(yàn),長(zhǎng)此以往使動(dòng)物對(duì)每一步移動(dòng)的速度和距離的感知發(fā)生了變化。 Madhav說:“眾所周知,動(dòng)物在發(fā)育過程中必須重新校準(zhǔn)他們的自我運(yùn)動(dòng)信號(hào),例如,動(dòng)物的腿會(huì)隨著生長(zhǎng)而變長(zhǎng),這會(huì)影響他們對(duì)步伐行走距離的測(cè)量。然而,我們的實(shí)驗(yàn)室顯示,即使在成年后,再校準(zhǔn)也會(huì)時(shí)刻地進(jìn)行。我們不斷地更新自身的身體運(yùn)動(dòng)模型,以了解如何在大腦內(nèi)部地圖上更新我們的位置?!?/p> 這項(xiàng)研究的發(fā)現(xiàn)為記憶是如何形成的提供了額外的證據(jù),而記憶本身是以時(shí)間和空間為基礎(chǔ)的。神經(jīng)科學(xué)家James Knierim說:“我們知道,人類的海馬體不僅與空間繪圖有關(guān),而且對(duì)形成我們?nèi)粘I罱?jīng)驗(yàn)的有意識(shí)記憶也至關(guān)重要,因?yàn)榭臻g定向障礙和記憶喪失是阿爾茨海默病的最初癥狀之一,它在早期階段破壞海馬神經(jīng)元,這些發(fā)現(xiàn)可以進(jìn)一步研究阿爾茨海默病和其他神經(jīng)退行性疾病的病因和潛在治療方法。” Cowan說道:“作為一名工程師,我發(fā)現(xiàn)我們的跨學(xué)科方法可以用來理解大腦中最復(fù)雜的認(rèn)知處理系統(tǒng),這特別令人興奮。” 展望未來,研究小組希望使用相同的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)實(shí)驗(yàn)裝置來研究大腦的其他區(qū)域如何協(xié)調(diào)他們與海馬體的活動(dòng),從而形成一幅連貫的定位地圖。 編譯:小貝 審稿:阿淼 責(zé)編:張夢(mèng) |
|