就像宇宙膨胀一样大脑感知空间的能力会随经验增加而扩大

2023-02-19 05:29:33 来源：cnBeta

索尔克研究所的研究人员发现，负责空间感知的神经网络以非线性的方式变化，并可能对神经退行性疾病（如阿尔茨海默病）产生影响。年轻的孩子们经常怀有这样的误解：月亮在追赶他们，或者他们可以用手触摸它，因为它看起来比实际距离近得多。

新的经验随着时间的推移被吸收到神经表征中，这里用一个双曲面沙漏来象征。资料来源：索尔克研究所

在我们的日常运动中，我们倾向于认为我们以一种线性的方式浏览空间。然而，索尔克研究所的科学家们发现，花时间探索一个环境会导致神经连接以意想不到的方式发展。

【资料图】

根据最近发表在《自然-神经科学》上的一项研究，在空间导航、记忆和规划中起着关键作用的海马体中的神经元以一种符合非线性双曲几何的方式表示空间。这种几何学的特点是三维空间以指数形式扩张（换句话说，它的形状就像一个扩张的沙漏的内部）。

研究人员还发现，该空间的大小随着在一个地方的时间增长。而且该大小是以对数方式增长的，与大脑正在处理的信息的最大可能增长相匹配。

这一发现为分析涉及学习和记忆的神经认知障碍的数据提供了宝贵的方法，例如阿尔茨海默病。

从左起Huanqiu Zhang和Tatyana Sharpee。资料来源：索尔克研究所

"研究表明，大脑并不总是以线性方式行动。相反，神经网络沿着一条不断扩大的曲线运作，这可以用双曲几何和信息理论来分析和理解，"领导这项研究的埃德温-K-亨特教席持有人、Salk教授Tatyana Sharpee说。"令人振奋的是，大脑这一区域的神经反应形成了一个地图，该地图随着经验的增加而扩大，基于在某一特定地方投入的时间量。当动物在环境中跑得更慢或更快时，这种效应甚至对微小的时间偏差也有作用。"

Sharpee的实验室使用先进的计算方法来更好地理解大脑的工作方式。他们最近率先使用双曲几何学来更好地理解生物信号，如气味分子，以及对气味的感知。

在目前的研究中，科学家们发现，双曲几何学也能指导神经反应。感觉分子和事件的双曲地图是用双曲神经地图来感知的。空间表征动态地扩展，与大鼠探索每个环境的时间相关。而且，当老鼠在一个环境中移动得更慢时，它获得了更多关于空间的信息，这导致神经表征的增长更多。

Sharpee实验室的研究生Huanqiu Zhang说："这些发现为神经表征如何随着经验而改变提供了一个新的视角。我们研究中确定的几何原理也可以指导未来了解各种大脑系统的神经活动的努力。"

"你会认为双曲几何只适用于宇宙尺度，但事实并非如此，"Sharpee说。"我们的大脑工作速度比光速慢得多，这可能是在可把握的空间而不是天文空间上观察到双曲效应的一个原因。接下来，我们想更多地了解大脑中的这些动态双曲表征是如何成长、互动和相互沟通的。"

关键词：阿尔茨海默病人工智能神经科学三星伴月天象即将