索爾克研究人員發(fā)現(xiàn)，負(fù)責(zé)空間感知的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以非線性方式變化，可能對(duì)阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾病產(chǎn)生影響。

索爾克生物研究所

2023年1月4日消息

年幼的孩子有時(shí)會(huì)相信月亮在跟著他們，或者他們可以伸手觸摸到它。它看起來(lái)比實(shí)際距離更近。當(dāng)我們?cè)谌粘Ｉ�活中走�?dòng)時(shí)，我們傾向于認(rèn)為我們以線性方式在空間中導(dǎo)航。但索爾克生物研究所（Salk Institute for Biological Studies，Salk）的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，花在探索環(huán)境上的時(shí)間會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)表征以驚人的方式增長(zhǎng)。

該研究結(jié)果近日發(fā)表在《自然－神經(jīng)科學(xué)》（Nature Neuroscience）雜志上，表明海馬體中對(duì)空間導(dǎo)航、記憶和規(guī)劃至關(guān)重要的神經(jīng)元以符合非線性雙曲幾何的方式表示空間——一種呈指數(shù)向外增長(zhǎng)的三維空間（換句話說(shuō)，它的形狀就像一個(gè)不斷擴(kuò)大的沙漏的內(nèi)部）。研究人員還發(fā)現(xiàn)，該空間的大小會(huì)隨著在某個(gè)地方停留的時(shí)間而增加。并且大小以對(duì)數(shù)方式增加，與大腦處理的信息的最大可能增加相匹配。

研究于2022年12月29日發(fā)表在《Nature Neuroscience》（最新影響因子：28．771）雜志上

“我們的研究表明大腦并不總是以線性方式運(yùn)作。相反，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)沿著一條擴(kuò)展曲線運(yùn)行，可以使用雙曲線幾何和信息理論對(duì)其進(jìn)行分析和理解�！� 領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的 Edwin K． Hunter 講座教授 Tatyana Sharpee 博士說(shuō)，“令人興奮的是，大腦這一區(qū)域的神經(jīng)反應(yīng)形成了一張地圖，該地圖會(huì)根據(jù)在給定位置投入的時(shí)間量隨著經(jīng)驗(yàn)而擴(kuò)展。這種效應(yīng)甚至在微小的時(shí)間偏差中也成立�！�

Sharpee 的實(shí)驗(yàn)室使用先進(jìn)的計(jì)算方法來(lái)更好地了解大腦的工作原理。他們最近率先使用雙曲幾何（hyperbolic geometry）來(lái)更好地理解氣味分子等生物信號(hào)，以及對(duì)氣味的感知。

在目前的研究中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)雙曲幾何也能指導(dǎo)神經(jīng)反應(yīng)。感覺(jué)分子和事件的雙曲線圖是用雙曲線神經(jīng)圖感知的。空間表征隨著小鼠探索每個(gè)環(huán)境所花費(fèi)的時(shí)間而動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。而且，當(dāng)小鼠在環(huán)境中移動(dòng)得更慢時(shí)，它獲得了更多關(guān)于空間的信息，這導(dǎo)致神經(jīng)表征增長(zhǎng)得更多。

Sharpee 實(shí)驗(yàn)室的研究生 Huanqiu Zhang 說(shuō)：“這些發(fā)現(xiàn)為神經(jīng)表征如何隨經(jīng)驗(yàn)改變提供了一個(gè)新的視角。我們研究中確定的幾何原理還可以指導(dǎo)未來(lái)理解各種大腦系統(tǒng)神經(jīng)活動(dòng)的努力。”

左起：Huanqiu Zhang 和 Tatyana Sharpee

“你會(huì)認(rèn)為雙曲幾何只適用于宇宙尺度，但事實(shí)并非如此，” Sharpee  說(shuō)�！�我們的大腦工作速度比光速慢得多，這可能是在可抓取空間而不是天文空間上觀察到雙曲線效應(yīng)的原因。接下來(lái)，我們想更多地了解大腦中這些動(dòng)態(tài)雙曲線表征是如何相互發(fā)展、相互作用和交流的�！�

始創(chuàng)于1960年的索爾克生物研究所

創(chuàng)立人：?jiǎn)碳{斯·索爾克，美國(guó)猶太裔實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)家、病毒學(xué)家，以研發(fā)出世界上首例安全有效的“脊髓灰質(zhì)炎疫苗”而知名

參考文獻(xiàn)

Source：Salk Institute for Biological Studies

The brain’s ability to perceive space expands like the universe

Reference：

Zhang， H．， Rich， P．D．， Lee， A．K． et al． Hippocampal spatial representations exhibit a hyperbolic geometry that expands with experience． Nat Neurosci （2022）． https：／／doi．org／10．1038／s41593－022－01212－4

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       原文標(biāo)題 : 大腦感知空間的能力像宇宙一樣膨脹