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美国宾夕法尼亚大学:研究人员确定人体大脑内有指南针系统

发布时间:2020-11-06

人的大脑拥有个非常复杂的指南针系统,它能够在你移动时追踪你所面对的方向

这项研究是由美国宾夕法尼亚大学艺术和科学学院心理学教授拉塞尔•爱普斯坦(Russell Epstein)和爱普斯坦实验室的博士后研究员史蒂文•马尔谢特(Steven Marchette)带领进行的。其它合作者还包括实验室成员研究生琳赛•瓦斯(Lindsay Vass)和研究员杰克•莱恩(Jack Ryan)。研究结果被发表在期刊《自然•神经科学》上。

“想象一下从地铁口出来,” 马尔谢特说道。“你知道你此刻所处的方位,但你仍然会经历四处张望试图确定你的朝向的过程。你可能会想,‘我现在面朝市政厅,那么我一定是朝东’,这个过程大约需要一秒的时间。”

“我们感兴趣的是人们是如何重置自己的方向感,以及他们实现这一点是依赖环境里哪些线索。”为了测试大脑是如何做出这些推论的,研究人员设计了一项实验,他们将被试者引入一个虚拟环境里,一个有四座博物馆的公园里。研究人员要求被试者记住这些博物馆里展出的日常物品的位置。然后他们在要求被试者回答这些物体之间的空间关系时,例如自行车究竟是放在蛋糕的左边还是右边,对被试者的大脑进行了扫描。

科学家们使用了一种测量大脑不同区域血流量的技术,也被称为功能核磁共振成像(fMRI)对被试者进行大脑扫描,研究人员主要关注于一个名为压后皮层(retrosplenial complex,简称RSC)的区域。这个区域经历严重损伤的人们能够识别环境里的地标,但是无法回忆如何从一个地方到达另一个地方,这暗示着这片区域在导航和定位所使用的记忆类型中起着特殊的作用。

“科学家们对压后皮层的探索非常有限,” 爱普斯坦说道。“虽然我们无法调查每一个神经元,就像奥基夫和莫索尔夫妇获得诺贝尔奖的研究一样,但利用fMRI的优势之处在于我们无需事先决定要记录大脑哪部分区域。” 压后皮层编码这种信息并作为精神指南针的一部分有三种主要的途径。

一种就是“全球系统”,也即大脑会忽略一个人所处环境的任何视觉线索,而追踪一个人面对的绝对方向。事实上我们有证据表明这样的系统存在于大脑里,但是宾夕法尼亚大学的研究小组怀疑压后皮层是否是这一系统的中央组成部分。

第二种是“特异性”系统,也即大脑会对每一个环境独立的进行方向追踪。在这样的系统里,回忆你的桌子是位于办公室北面墙边涉及回忆办公室本身并挑选出相关特征。

最后一个方法是“几何学”系统,它建立于环境里的特征之间更普遍的关系。因此回忆你的办公桌位于办公室背面墙边需要涉及回忆办公桌和门之间的关系——也就是当我走进办公室办公桌位于门左边——而无需回忆办公室本身。

研究小组构建的虚拟公园对于区分被试者用于确定自己相对这些物体的位置时究竟使用的是哪一种系统至关重要。公园的四座博物馆以四叶草的样式环绕中央广场分布,但只能从南部进入这个公园。每一座博物馆都有一扇单独的门,所有的都朝向广场中央。每一座博物馆都非常独特但布局相同:一间单独的房间里包含8个独特的物体,每面墙上有两个物体。这些物体都被放在壁龛里,因此被试者只能从正面看到它们。

“我们这样精心设计是为了让被试者清楚的知道每一座博物馆的后壁指向四个主方向之一。” 马尔谢特说道。“通过将物体放在壁龛里,我们确保了他们只能朝正东、正南、正西、正北四个方向时才能看到它们。”

在虚拟环境里随意闲逛后,被试者被测试了这些物体的位置。他们被要求在一天或两天后回到实验室内,这使得他们在接受核磁共振成像扫描前有机会刷新有关物体位置分布的记忆。随后他们被展示四个博物馆之一里的一对物体的单词,并被询问第二件物体位于第一件物体的左边还是右边。

研究人员使用了一名被试者做出回应的一半数据来校准他们对这名被试者压后皮层的测量,然后与剩下另一半回应的激活样式进行对比。“如果压后皮层支持全球系统,那么它对人们想象自己是面朝后壁还是左边的墙应该没有影响;如果你在一个博物馆里面朝北部而在另一个博物馆里面朝南部,那么激活样式应该是相似的。正如我们所预期的,这一现象并未发生。”

“类似的,对于特异性系统而言,我们预计当回忆两个不同博物馆的后壁时将会产生不同的样式,因为你将会回忆博物馆里的这间房子本身。结果发现这一现象也没产生。”

相反,当被试者设想观察相对周围环境具有相同几何学关系的物体时,无论被试者所面朝的“真实”方向是什么,产生的样式应该是相似的。例如,回忆两个不同博物馆后壁上物体将会产生相似的激活样式,即使其中一个博物馆的后壁朝北,而另一个朝东。

“基于这些相似性,我们甚至能够重建被试者回忆的位置,” 爱普斯坦说道。“基于被试者的一半回应,我们知道所需要寻找的是什么,由此我们可以完全根据fMRI数据估计一个特定视野的方位,且它们距离视野的真正位置非常接近。我认为这是非常了不起的结果,仿佛我们能够从某个人的大脑里读取博物馆的平面图。由于博物馆是几何学相同的,那么压后皮层会对所有博物馆使用相同的‘平面图’。”

研究小组的结果将提供人们在方向导航时大脑里发生过程的更完整的画面。“一直以来心理学家都推断几何学对于这种记忆至关重要,” 爱普斯坦表示,“但现在这项研究首次显示它背后的神经学基础。我们希望这将提供深入研究这片大脑区域的新机会。”

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