麻省理工学院研究揭示大脑导航与心理模拟的认知地图机制

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麻省理工学院（2024USNews美国大学排名：2）的神经科学家最近的一项研究揭示了一个令人惊叹的发现：无论是实际在空间中导航，还是在脑海中想象导航，大脑都会使用相同的认知表示。这项研究首次展示了在非空间领域中，通过激活内嗅皮层中的认知地图来进行心理模拟和想象的细胞基础。研究表明，当动物使用操纵杆浏览一系列图像时，内嗅皮层会存储这些经历的认知地图，并在思考这些序列时激活这些地图，即使图像不可见。研究还发现，内嗅皮层中的心理表示不编码图像的具体视觉特征，而是地标的顺序排列。研究人员通过构建计算模型，模拟大脑活动并展示其生成方式，进一步探索了这些认知地图的工作原理。未来的研究将探讨地标不均匀分布或环形排列时大脑的反应。该研究得到了加拿大自然科学与工程研究委员会、魁北克研究基金会、美国国立卫生研究院和保罗与莉拉·牛顿脑科学奖的资助。

内嗅皮层与认知地图

内嗅皮层是大脑中一个关键的区域，负责处理和存储空间信息。它与海马体紧密相连，共同构成了大脑的导航系统。麻省理工学院的研究人员发现，内嗅皮层不仅在实际导航中发挥作用，还在心理模拟和想象中起到关键作用。这一发现为我们理解大脑如何处理和存储信息提供了新的视角。

在实验中，研究人员训练动物使用操纵杆浏览一系列图像，并记录了内嗅皮层的神经活动。结果显示，内嗅皮层存储了这些图像序列的认知地图，并在动物思考这些序列时激活这些地图，即使图像不可见。这表明，内嗅皮层中的认知地图不仅用于物理导航，还可以在纯粹的心理模拟中构建和使用。

计算模型与大脑活动

为了进一步理解这些认知地图的工作原理，研究人员构建了一个计算模型，模拟大脑活动并展示其生成方式。这个模型通过添加学习活动模式的组件，能够在没有感官输入的情况下重建体验。研究人员发现，这个模型可以有效地模拟内嗅皮层的神经活动，揭示了大脑如何在心理模拟中使用认知地图。

计算模型的成功不仅为我们提供了一个理解大脑活动的新工具，还为未来的研究提供了一个强大的平台。研究人员计划进一步探索地标不均匀间隔或不同排列时的情况，并记录动物首次学习导航任务时的大脑活动。这些研究将帮助我们更好地理解大脑如何处理复杂的空间信息，并可能为治疗与导航和记忆相关的疾病提供新的方法。

心理地图在日常生活中的作用

心理地图在我们日常生活中的导航中起着至关重要的作用。这些认知地图存储在海马体和内嗅皮层中，保留了我们走过的路径和访问过的位置，使我们能够轻松找到方向。新的研究发现，这些心理地图不仅用于物理导航，即使只是思考某个位置也会激活这些认知地图。

麻省理工学院的研究人员发现，心理地图可以通过纯粹的思维而创建和激活，而无需任何物理运动或感官输入。在一项动物研究中，研究人员发现内嗅皮层存储了使用操纵杆浏览图像时经历的序列的认知地图。即使没有看到图像，这些地图在思考这些序列时也会被激活。研究表明，心理地图不仅限于物理空间，还可以在纯粹的心理模拟或想象中构建和使用。

语言与视觉信号的结合

在导航任务中，语言和视觉信号的结合可以提高导航精度。麻省理工学院和MIT-IBM Watson AI实验室的研究人员开发了一种利用语言指令引导机器人导航的AI系统，这种方法在不依赖大量视觉数据的情况下改进了导航任务。该方法将视觉观察转换为文本描述，使语言模型能够指导机器人的动作。尽管在性能上不如基于视觉的系统，但在数据有限的情况下表现出色，并且与视觉输入结合后能提高性能。

该系统通过生成文本描述来预测机器人应采取的行动，从而减少了对大量视觉数据的需求。研究人员发现，结合语言和视觉信号可以提高导航精度。该研究将在北美计算语言学协会会议上展示，展示了语言和视觉信号结合在导航任务中的潜力。

前额皮质与海马体的相互作用

科学家们在《自然神经科学》期刊上发表了一项研究，揭示了大脑前额皮质和海马体在规划和决策中的相互作用。纽约大学心理学系助理教授Marcelo Mattar解释说，前额皮质充当“模拟器”，利用存储在海马体中的认知地图来测试可能的行动。研究团队开发了一个递归神经网络（RNN）模型，预测规划过程中的大脑活动。该模型考虑了现有的规划知识，并增加了“想象的行动”层次。

通过人类和动物实验验证了该模型，结果显示前额皮质和海马体之间的复杂互动。研究不仅推进了对规划的神经和认知机制的理解，还有助于治疗影响决策能力的疾病。这一发现为我们理解大脑如何在复杂的决策过程中使用认知地图提供了新的视角。