文章来源：麻省理工学院官方网站

当你沿着通常的路线去上班或去杂货店时，你的大脑会启动存储在海马体和内嗅皮层中的认知地图。这些地图存储了你走过的路和去过的地点的信息，这样你每次去那里时都可以导航。

麻省理工学院的一项新研究发现，当你仅仅思考一系列体验时，在没有任何身体运动或感官输入的情况下，这种心理地图也会被创建和激活。在一项动物研究中，研究人员发现，内嗅皮层保存着一张认知地图，记录了动物在使用操纵杆浏览一系列图像时所经历的事情。这些认知地图会在思考这些序列时被激活，即使图像不可见。

这是第一项通过激活内嗅皮层的认知图来展示非空间领域的心理模拟和想象的细胞基础的研究。

“这些认知地图被用来进行心理导航，无需任何感官输入或运动输出。我们能够看到当动物在心理上经历这些体验时，该地图会呈现出自己的特征，”大脑和认知科学副教授、麻省理工学院麦戈文脑研究所成员、这项研究的资深作者 Mehrdad Jazayeri 说道。

麦戈文研究所研究科学家 Sujaya Neupane 是这篇发表于今日《自然》杂志的论文的主要作者。麻省理工学院大脑与认知科学教授、麻省理工学院麦戈文脑研究所成员、K. Lisa Yang 综合计算神经科学中心主任 Ila Fiete 也是这篇论文的作者之一。

思维导图

大量针对动物模型和人类的研究显示，物理位置的表征存储在海马体（一种海马状的小结构）和附近的内嗅皮层中。每当动物穿过它之前所在的空间、即将穿过该空间或睡觉时，这些表征就会被激活。

“之前的研究大多集中在动物在空间中移动时这些区域如何反映环境的结构和细节，”Jazayeri 说道，“当动物在房间中移动时，它的感官体验会被海马体和内嗅皮层神经元的活动很好地编码。”

在新的研究中，Jazayeri 和他的同事想要探索这些认知图是否也是在纯粹的心理演练或想象非空间领域的运动时构建和使用的。

为了探索这种可能性，研究人员训练动物使用操纵杆在一系列以规则时间间隔排列的图像（“地标”）中追踪路径。在训练过程中，动物只看到一组图像对的子集，而不是所有图像对。一旦动物学会了在训练图像对中导航，研究人员就会测试动物是否能够处理它们从未见过的新图像对。

一种可能性是，动物没有学习序列的认知图，而是使用记忆策略来解决任务。如果是这样，它们应该会很难理解新的配对。相反，如果动物依靠认知图，它们应该能够将自己的知识推广到新的配对。

“结果非常明确，”Jazayeri 说道。“动物从第一次接受测试起就能够在脑海中对新的图像进行导航。这一发现为认知地图的存在提供了强有力的行为证据。但大脑是如何建立这样的地图的呢？”

为了解决这个问题，研究人员在动物执行这项任务时记录了内嗅皮层中单个神经元的活动。神经反应有一个显著的特点：当动物使用操纵杆在两个地标之间导航时，神经元表现出与中间地标的心理表征相关的独特活动。

“大脑会在预期的时间经历这些活动高峰，此时中间的图像会经过动物的眼睛，但动物的眼睛却从未看到过这些活动，”Jazayeri 说。“关键的是，这些高峰之间的时间恰好是动物预期到达每个高峰的时间，在本例中是 0.65 秒。”

研究人员还发现，心理模拟的速度与动物在任务中的表现有关：当它们完成任务稍晚或稍早时，它们的大脑活动就会出现相应的时间变化。研究人员还发现证据表明，内嗅皮层的心理表征并不编码图像的具体视觉特征，而是编码地标的顺序排列。

学习模式

为了进一步探索这些认知地图如何发挥作用，研究人员建立了一个计算模型来模拟他们发现的大脑活动，并演示如何生成这些活动。他们使用了一种称为连续吸引子模型的模型，该模型最初是为了模拟内嗅皮层如何根据感官输入跟踪动物移动时的位置而开发的。

研究人员通过添加一个组件来定制该模型，该组件能够学习感官输入产生的活动模式。然后，当没有感官输入时，该模型能够学会使用这些模式来重建这些体验。

“我们需要添加的关键元素是，该系统能够通过与感官输入进行交流进行双向学习。通过模型经历的联想学习，它将真正重现那些感官体验，”Jazayeri 说。

研究人员现在计划研究如果地标间距不均匀，或者排列成环状，大脑会发生什么情况。他们还希望记录动物首次学习执行导航任务时海马体和内嗅皮层的大脑活动。

Jazayeri 说：“看到结构的记忆在头脑中具体化，以及这如何导致神经活动的出现，这是探究学习如何发生的一种非常有价值的方式。”

该研究由加拿大自然科学与工程研究委员会、魁北克研究基金、美国国立卫生研究院以及保罗和莱拉·牛顿脑科学奖资助。

原文链接：https://news.mit.edu/2024/thinking-about-location-activates-mental-maps-in-brain-0612