大脑感知空间的能力像宇宙一样膨胀

原创 Salk 阿尔茨海默病

索尔克研究人员发现，负责空间感知的神经网络以非线性方式变化，可能对阿尔茨海默病等神经退行性疾病产生影响。

索尔克生物研究所

2023年1月4日消息

年幼的孩子有时会相信月亮在跟着他们，或者他们可以伸手触摸到它。它看起来比实际距离更近。当我们在日常生活中走动时，我们倾向于认为我们以线性方式在空间中导航。但索尔克生物研究所（Salk Institute for Biological Studies，Salk）的科学家发现，花在探索环境上的时间会导致神经表征以惊人的方式增长。

该研究结果近日发表在《自然-神经科学》（Nature Neuroscience）杂志上，表明海马体中对空间导航、记忆和规划至关重要的神经元以符合非线性双曲几何的方式表示空间——一种呈指数向外增长的三维空间（换句话说，它的形状就像一个不断扩大的沙漏的内部）。研究人员还发现，该空间的大小会随着在某个地方停留的时间而增加。并且大小以对数方式增加，与大脑处理的信息的最大可能增加相匹配。

研究于2022年12月29日发表在《Nature Neuroscience》（最新影响因子：28.771）杂志上

“我们的研究表明大脑并不总是以线性方式运作。相反，神经网络沿着一条扩展曲线运行，可以使用双曲线几何和信息理论对其进行分析和理解。” 领导这项研究的 Edwin K. Hunter 讲座教授 Tatyana Sharpee 博士说，“令人兴奋的是，大脑这一区域的神经反应形成了一张地图，该地图会根据在给定位置投入的时间量随着经验而扩展。这种效应甚至在微小的时间偏差中也成立。”

Sharpee 的实验室使用先进的计算方法来更好地了解大脑的工作原理。他们最近率先使用双曲几何（hyperbolic geometry）来更好地理解气味分子等生物信号，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也能指导神经反应。感觉分子和事件的双曲线图是用双曲线神经图感知的。空间表征随着小鼠探索每个环境所花费的时间而动态扩展。而且，当小鼠在环境中移动得更慢时，它获得了更多关于空间的信息，这导致神经表征增长得更多。

Sharpee 实验室的研究生 Huanqiu Zhang 说：“这些发现为神经表征如何随经验改变提供了一个新的视角。我们研究中确定的几何原理还可以指导未来理解各种大脑系统神经活动的努力。”

左起：Huanqiu Zhang 和 Tatyana Sharpee

“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，这可能是在可抓取空间而不是天文空间上观察到双曲线效应的原因。接下来，我们想更多地了解大脑中这些动态双曲线表征是如何相互发展、相互作用和交流的。”

始创于1960年的索尔克生物研究所

创立人：乔纳斯·索尔克，美国犹太裔实验医学家、病毒学家，以研发出世界上首例安全有效的“脊髓灰质炎疫苗”而知名

参考文献

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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