索爾克研究人員發(fā)現(xiàn)，負責空間感知的神經(jīng)網(wǎng)絡以非線性方式變化，可能對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

年幼的孩子有時會相信月亮在跟著他們，或者他們可以伸手觸摸到它。它看起來比實際距離更近。當我們在日常生活中走動時，我們傾向于認為我們以線性方式在空間中導航。但索爾克生物研究所（Salk Institute for Biological Studies，Salk）的科學家發(fā)現(xiàn)，花在探索環(huán)境上的時間會導致神經(jīng)表征以驚人的方式增長。

該研究結(jié)果近日發(fā)表在《自然－神經(jīng)科學》（Nature Neuroscience）雜志上，表明海馬體中對空間導航、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)向外增長的三維空間（換句話說，它的形狀就像一個不斷擴大的沙漏的內(nèi)部）。研究人員還發(fā)現(xiàn)，該空間的大小會隨著在某個地方停留的時間而增加。并且大小以對數(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作。相反，神經(jīng)網(wǎng)絡沿著一條擴展曲線運行，可以使用雙曲線幾何和信息理論對其進行分析和理解�！� 領(lǐng)導這項研究的 Edwin K． Hunter 講座教授 Tatyana Sharpee 博士說，“令人興奮的是，大腦這一區(qū)域的神經(jīng)反應形成了一張地圖，該地圖會根據(jù)在給定位置投入的時間量隨著經(jīng)驗而擴展。這種效應甚至在微小的時間偏差中也成立。”

Sharpee 的實驗室使用先進的計算方法來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）來更好地理解氣味分子等生物信號，以及對氣味的感知。

在目前的研究中，科學家們發(fā)現(xiàn)雙曲幾何也能指導神經(jīng)反應。感覺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環(huán)境所花費的時間而動態(tài)擴展。而且，當小鼠在環(huán)境中移動得更慢時，它獲得了更多關(guān)于空間的信息，這導致神經(jīng)表征增長得更多。

Sharpee 實驗室的研究生 Huanqiu Zhang 說：“這些發(fā)現(xiàn)為神經(jīng)表征如何隨經(jīng)驗改變提供了一個新的視角。我們研究中確定的幾何原理還可以指導未來理解各種大腦系統(tǒng)神經(jīng)活動的努力�！�

左起：Huanqiu Zhang 和 Tatyana Sharpee

“你會認為雙曲幾何只適用于宇宙尺度，但事實并非如此，” Sharpee  說�！�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的原因。接下來，我們想更多地了解大腦中這些動態(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：喬納斯·索爾克，美國猶太裔實驗醫(yī)學家、病毒學家，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

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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       原文標題 : 大腦感知空間的能力像宇宙一樣膨脹