思考一個地點會激活大腦中的心理地圖 | 麻省理工學院新聞

腦中的認知地圖

當你走路去上班或去雜貨店時，你的大腦會使用儲存在海馬迴和內嗅皮層的認知地圖。這些地圖記錄了你曾經走過的路徑和去過的地方，讓你能夠在再次前往時輕鬆導航。

麻省理工學院 (MIT) 的新研究發現，這些心智地圖在你僅僅思考經歷的順序時也會被創造和啟動，即使沒有任何身體運動或感官輸入。在一項動物研究中，研究人員發現內嗅皮層中儲存著動物在使用搖桿瀏覽一系列圖像時的認知地圖。即使這些圖像不在眼前，當思考這些順序時，這些認知地圖也會被啟動。

這是第一項顯示非空間領域的心智模擬和想像的細胞基礎的研究，透過內嗅皮層中認知地圖的激活來實現。

麻省理工學院的腦與認知科學副教授、麥戈文腦研究所成員及該研究的主要作者梅赫達德·賈扎耶里 (Mehrdad Jazayeri) 說：「這些認知地圖被用來進行心智導航，沒有任何感官輸入或運動輸出。我們能夠看到這個地圖的特徵，當動物在心中經歷這些經驗時，它會出現。」

麥戈文研究所的研究科學家蘇賈亞·內烏潘 (Sujaya Neupane) 是這篇今天發表在《自然》雜誌上的論文的主要作者。麻省理工學院的腦與認知科學教授、麥戈文腦研究所成員及K. Lisa Yang整合計算神經科學中心主任伊拉·費特 (Ila Fiete) 也是該論文的作者之一。

心智地圖

許多動物模型和人類的研究顯示，物理位置的表徵儲存在海馬迴這個小小的海馬形結構和附近的內嗅皮層中。每當動物在之前去過的空間中移動時，這些表徵就會被激活，無論是在穿越空間之前，還是在睡覺時。

賈扎耶里說：「大多數先前的研究都集中在這些區域如何反映動物在空間中實際移動時環境的結構和細節。」他補充道：「當動物在房間中移動時，它的感官經驗會被海馬迴和內嗅皮層中神經元的活動很好地編碼。」

在這項新研究中，賈扎耶里和他的同事們想要探討這些認知地圖是否也在純粹的心智運行或想像非空間領域的移動時建立並使用。

為了探討這個可能性，研究人員訓練動物使用搖桿在一系列按時間間隔排列的圖像（“地標”）中描繪路徑。在訓練期間，動物只被展示了一部分圖像對，而不是所有的圖像對。一旦動物學會了如何在訓練對中導航，研究人員就測試動物是否能處理它們從未見過的新圖像對。

一種可能性是動物並沒有學會這個序列的認知地圖，而是使用記憶策略來解決任務。如果是這樣，他們在面對新圖像對時會遇到困難。相反，如果動物依賴於認知地圖，他們應該能夠將所學知識推廣到新圖像對上。

賈扎耶里說：「結果是明確的。動物能夠在第一次測試時就能在新圖像對之間進行心智導航。這一發現提供了強有力的行為證據，證明了認知地圖的存在。但大腦是如何建立這樣的地圖的呢？」

為了解決這個問題，研究人員在動物執行這項任務時記錄了內嗅皮層中的單個神經元。神經反應有一個顯著特徵：當動物使用搖桿在兩個地標之間導航時，神經元的活動會出現與心智表徵相關的明顯活動波峰。

賈扎耶里說：「大腦在預期的時間內經歷這些活動波峰，這是動物眼前應該經過的圖像，但它們從未見過。而這些波峰之間的時間，恰好是動物預期到達每個地標的時間，在這種情況下是0.65秒。」

研究人員還顯示，心智模擬的速度與動物在任務上的表現有關：當他們完成任務的時間稍微晚或早時，他們的大腦活動會顯示出相應的時間變化。研究人員還發現，內嗅皮層中的心智表徵並不編碼圖像的具體視覺特徵，而是地標的順序排列。

學習模型

為了進一步探索這些認知地圖如何運作，研究人員建立了一個計算模型，以模擬他們發現的腦部活動並展示如何生成這些活動。他們使用了一種稱為連續吸引子模型的模型，這種模型最初是為了模擬內嗅皮層如何根據感官輸入追蹤動物的位置而開發的。

研究人員通過添加一個能夠學習感官輸入生成的活動模式的組件來定制這個模型。這個模型能夠學會使用這些模式在沒有感官輸入的情況下重建這些經驗。

賈扎耶里說：「我們需要添加的關鍵元素是，這個系統具有雙向學習的能力，通過與感官輸入進行交流。通過模型所經歷的聯想學習，它實際上會重建這些感官經驗。」

研究人員現在計劃調查當地標不均勻分佈或以環形排列時，大腦會發生什麼。他們也希望在動物首次學習執行導航任務時，記錄海馬迴和內嗅皮層的腦部活動。

賈扎耶里說：「看到結構的記憶在心中結晶，並且這如何導致出現的神經活動，是探討學習如何發生的一種非常有價值的方法。」

這項研究得到了加拿大自然科學與工程研究委員會、魁北克研究基金、國立衛生研究院和保羅與莉拉·牛頓腦科學獎的資助。