大脑感知空间的能力像宇宙一样膨胀

Salk研究人员发现，大脑中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。

年幼的孩子有时相信月亮在跟随他们，或者他们可以伸出手触摸它。它似乎比它的真实距离成正比要近得多。

当我们在日常生活中移动时，我们倾向于认为我们以线性方式在空间中导航。但索尔克的科学家们发现，花在探索环境上的时间会导致神经表征以令人惊讶的方式增长。

29 年 2022 月 <> 日发表在《自然神经科学》上的研究结果显示，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——一种向外呈指数增长的三维广阔。(换句话说，它的形状像一个膨胀的沙漏的内部。

研究人员还发现，该空间的大小随着在一个地方花费的时间而增长。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。

这一发现为分析涉及学习和记忆的神经认知障碍(如阿尔茨海默病)的数据提供了有价值的方法。

“我们的研究表明，大脑并不总是以线性方式行事。相反，神经网络沿着扩展曲线运行，可以使用双曲几何和信息论进行分析和理解，“领导这项研究的Edwin K. HunterSalk教授Tatyana Sharpee说。

“令人兴奋的是，大脑这个区域的神经反应形成了一张地图，该地图根据在特定地点花费的时间量随着经验而扩展。当动物在环境中跑得更慢或更快时，这种影响甚至在时间上保持微小的偏差。

夏普的实验室使用先进的计算方法来更好地了解大脑是如何工作的。他们最近率先使用双曲线几何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指导神经反应。感觉分子和事件的双曲图是用双曲神经图感知的。

空间表示与大鼠探索每个环境所花费的时间相关，动态扩展。而且，当老鼠在环境中移动得更慢时，它会获得更多关于空间的信息，这导致神经表征增长得更多。

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

“你会认为双曲几何只适用于宇宙尺度，但事实并非如此，”夏普说。“我们的大脑工作速度比光速慢得多，这可能是在可把握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成长、相互作用和相互交流的。

其他作者包括普林斯顿大学的P. Dylan Rich和霍华德休斯医学研究所Janelia研究园区的Albert K. Lee。

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