“老马识途”需要一个亮点地标

麻省理工学院的神经科学家发现，无论是在物理上还是在精神上，大脑都使用相同的认知表征。

　　

当你沿着通常的路线去上班或去杂货店时，你的大脑会使用储存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径和你以前去过的地方的信息，所以你可以随时导航。

麻省理工学院的一项新研究发现，当你在没有任何身体运动或感官输入的情况下，仅仅思考一系列经历时，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，当动物使用操纵杆浏览一系列图像时，它们的内嗅皮层包含着一幅认知地图。当思考这些序列时，这些认知地图就会被激活，即使这些图像是不可见的。

这是第一个通过激活内嗅皮层的认知地图来显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，没有任何感觉输入或运动输出。我们能够看到这张地图的一个特征，当动物在心理上经历这些经历时，它就会呈现出来，”Mehrdad Jazayeri说，他是麻省理工学院麦戈文大脑研究所的大脑和认知科学副教授，也是这项研究的资深作者。

麦戈文研究所的科学家Sujaya Neupane是今天发表在《Nature》杂志上的这篇论文的主要作者。Ila Fiete是麻省理工学院脑与认知科学教授，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，也是这篇论文的作者之一。

心理地图

对动物模型和人类的大量研究表明，物理位置的表征储存在海马体(一个小海马形状的结构)和附近的内嗅皮层中。每当动物穿过它以前去过的空间时，这些表征就会被激活，就在它穿过空间之前，或者当它睡着的时候。

Jazayeri说:“大多数先前的研究都集中在动物在空间中物理移动时，这些区域如何反映环境的结构和细节。当动物在房间里活动时，它的感觉体验会被海马和内嗅皮层神经元的活动很好地编码。”

在这项新研究中，Jazayeri和他的同事们想要探索这些认知地图是否也被建立起来，然后在纯粹的心理跑动或想象通过非空间领域的运动时使用。

为了探索这种可能性，研究人员训练动物使用操纵杆在固定时间间隔间隔的一系列图像(“地标”)中追踪路径。在训练过程中，只向动物展示了一小部分成对的图像，而不是所有成对的图像。一旦动物学会了在训练组中导航，研究人员就会测试动物是否能处理它们以前从未见过的新组。

一种可能性是，动物没有学习序列的认知地图，而是使用记忆策略来解决任务。如果是这样的话，预计它们将很难与新组合抗衡。相反，如果动物依赖于认知地图，它们应该能够将自己的知识推广到新配对。

“结果是明确的，”Jazayeri说。“从第一次测试开始，动物就能够在心理上在新图像对之间导航。这一发现为认知地图的存在提供了强有力的行为证据。但是大脑是如何建立这样的地图的呢?”

为了解决这个问题，研究人员记录了动物执行这项任务时内嗅皮层的单个神经元。神经反应有一个显著的特征: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。

Jazayeri说:“大脑在预期的时间内经历了这些活动的颠簸，而这些干扰图像本应通过动物的眼睛，但它们从未这样做过。关键是，这些凸起之间的时间恰好是动物预期到达每个凸起的时间，在这种情况下是0.65秒。”

研究人员还表明，心理模拟的速度与动物在任务中的表现有关:当它们完成任务的时间稍晚或稍早时，它们的大脑活动在时间上显示出相应的变化。研究人员还发现，有证据表明，内嗅皮层的心理表征并不编码图像的特定视觉特征，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是如何工作的，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，并展示了它是如何产生的。他们使用了一种被称为连续吸引子模型的模型，这种模型最初是为了模拟内嗅皮层如何根据感觉输入跟踪动物运动时的位置而开发的。

研究人员通过添加一个能够学习由感官输入产生的活动模式的组件来定制模型。然后，当没有感官输入时，这个模型能够学习使用这些模式来重建这些经历。

“我们需要增加的关键因素是，这个系统具有通过与感官输入交流进行双向学习的能力。通过模型所经历的联想学习，它实际上会重现那些感官体验，”Jazayeri说。

研究人员现在计划研究，如果这些地标不是均匀间隔的，或者它们排列成一个圆圈，大脑会发生什么。他们还希望记录下动物第一次学习导航任务时海马体和内嗅皮层的大脑活动。

Jazayeri说:“看到记忆结构在大脑中变得清晰，以及它是如何导致神经活动出现的，这是研究学习是如何发生的一个非常有价值的方法。”