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大脑是如何追踪空间运动的?

时间: 2021年01月12日 | 作者: Admin | 来源: 科研圈
美国国立卫生研究院(NIH)资助的一项研究表明,人们的大脑活动比想象的更协调。


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图片来源:Pixabay


作者 NIH/NATIONAL INSTITUTE OF NEUROLOGICAL DISORDERS AND STROKE

翻译 胡琦琳

审校 戚译引


科学家们首次记录了我们的大脑如何在物理空间中导航和追踪他人位置。研究人员让癫痫患者在一间空房间里走动,以寻找一处隐蔽的直径 2 英尺(约合 61 厘米)的区域,同时用一种特制的无线背包监测他们的脑电波。这项研究发表在《自然》(Nature)期刊上。研究人员称,参与者的脑电波体现出一种独特的模式,这意味着每位参与者的大脑都映射出了墙壁和其他边界。有趣的是,当参与者坐在房间的角落里看着其他人四处走动时,他们的脑电波也会以相似的方式波动,表明这样的脑电波也被用来追踪其他人的行动。这项研究是美国国立卫生研究院(NIH)脑科学计划(BRAIN Initiative)中通过新兴神经技术进行大脑研究的项目之一。


 “我们首次实现了直接研究人类大脑如何在与他人共享的实际空间中导航。”加州大学洛杉矶分校(UCLA)大卫·格芬医学院(David Geffen School of Medicine)神经外科和精神病学助理教授、研究通讯作者 Nanthia Suthana 博士说,“我们的研究结果表明,在社会环境中,大脑可能使用同一种代码来获取我们和其他人的位置。”


Suthana 博士的实验室研究大脑如何学习和记忆。在这项研究中,她的团队征集了一组 31-52 岁、具有抗药性的癫痫患者,他们已经通过手术在大脑中植入电极,来控制癫痫发作。


电极位于大脑的记忆中心,即内侧颞叶,这一部位也被认为用于控制导航,至少在啮齿动物中是这样。在过去的半个世纪,包括三位诺贝尔奖获得者在内的科学家在一次又一次的实验中发现,颞叶中的神经元,也被称为网格细胞(grid cells)和位置细胞(place cells),发挥着类似全球定位系统的功能。此外,科学家们还发现,这些细胞的神经活动的低频波(theta 波)有助于啮齿动物在迷宫中或浅水区游泳时知道自己和其它动物的位置。


 “有一些间接证据显示内侧颞叶负责我们导航。但要更进一步验证这些想法,在技术上还是很困难的。”加州大学洛杉矶分校的博士后,也是这篇文章的第一作者 Matthias Stangl 博士说。


Suthana 博士的研究团队发明的特制背包,为在人类身上支持这些观点,提供了迄今为止最直接的证据。这也是 NIH 脑科学计划的研究成果之一。


“脑科学研究中许多重要的突破都是得益于技术的进步。这也是 NIH 脑科学计划想做的。它刺激研究人员创造新的研究工具,然后用这些工具来推动我们对大脑以及脑部疾病的认识。”NIH 脑科学计划主任 John Ngai 博士说。


这个背包的核心是一个计算机系统,可以无线连接通过外科手术植入病人头部的电极。最近,研究人员称,这个计算机系统可以同时连接多台设备,包括虚拟现实(VR)眼镜、眼动追踪器,以及心脏、皮肤和呼吸监测设备。


“直到目前,直接研究人类大脑活动唯一的方法就是要求受试者保持静止,比如让受试者躺在一个大型大脑扫描仪中,或是连接到一台可以进行电子记录的设备上。2015 年,Suthana 博士带着可能解决这个问题的想法来找到我,于是我们尝试做了这样的一个背包。”加州大学洛杉矶分校的研究生,文章作者之一 Uros Topalovic 说,“这个背包可以解放病人,也让我们得以研究大脑在自然活动时如何运作。”


为了研究内侧颞叶在导航中的作用,研究人员让参与者背上背包,并进入一间 330 平方英尺的空房间(约合 30 平方米)。


每面墙上排列着一排 1 到 5 的彩色标志,并且每面墙上的标志颜色相同。研究者通过安装在天花板上的扬声器,用电脑语音要求病人走到某一个标记前。一旦他们到达标记,就继续语音提示他们寻找一个隐藏在房间某处、直径为 2 英尺的区域。与此同时,背包会记录患者的脑电波、穿过房间的路径以及眼球运动。


起初,每个人需要几分钟才能找到特定的区域。但经过几次试验后,随着他们对路线愈发熟悉,所需的时间越来越少。


电子记录显示了大脑活动的一种独特模式。当参与者靠近墙壁时,theta 波比他们在房间中央徘徊时波动的更强,峰值更高,谷值也更低。这种情况只发生在他们寻找某个特定的位置时。相比之下,当参与者按照指示走向墙上的彩色标志时,研究人员发现 theta 波节律强度与位置之间没有相关性。


“由这些结果可以得出,在特定的心理状态下,theta 波可以帮助大脑指引边界的位置。特别是在,我们集中注意力寻找某样东西的时候。”Stangl 博士。


进一步的分析也支持了这样的结论,并且协助排除了其它同样可能产生这一结果的可能性,例如眼睛、身体或头部不同的运动等。


奇怪的是,当参与者看着他人寻找位置时,他们的脑电波也有类似的模式。在这些实验中,参与者会坐在房间角落的椅子上,背着背包,手放在键盘旁边。参与者们知道隐藏点的位置,当别人到达时,他们就按下键盘上的按钮。


同样,当其他人靠近墙壁或地点时,参与者的脑电波波动非常强烈,而且这种模式只在这个人在四处寻找的时候出现,而在按照特定方向行走时是不会出现的。


“我们的研究结果支持这样的观点,即大脑可能会利用这些脑电波模式来设身处地为他人考虑。”Suthana 博士说,“这个结果为我们理解大脑如何导航打开了一扇门,甚至可能有助于理解其他社会互动。”


Suthana 博士的研究团队计划更深入地探索这些想法。此外,该团队还将该背包提供给其他想要研究大脑以及脑部疾病的研究人员。


原文链接:

https://eurekalert.org/pub_releases/2020-12/nion-sdh122120.php