神经科学家正在开发方法，映射大脑系统，使我们能够识别和导航我们周围的世界。
许多行为研究表明，使用地标在大规模空间中导航——称为基于地图的导航——直到大约12岁才建立。
埃默里大学的一项神经科学研究反驳了这一假设。通过结合脑部扫描和一个名为微小城镇的虚拟环境进行实验，研究人员展示了五岁的孩子已拥有支持基于地图导航的脑部系统。
《美国国家科学院院刊》发布了这一发现，这是证明这种认知能力在如此年轻的孩子身上已经具备的首个神经证据。
研究的第一作者，埃默里大学心理学系的博士后研究员雅兰·荣说：“虽然大规模的导航能力在整个童年中确实继续发展，但我们的研究发现，基础的神经系统的建立惊人地早。”
研究的资深作者、心理学副教授丹尼尔·迪尔克斯补充道：“基于地图的导航在十年或更长时间内进行的，而在一半的时间内就已经开始。” “五岁的孩子拥有使他们能够在一个小的虚拟城镇中找到路的脑部系统。他们不仅知道山区的冰淇淋店与湖区的冰淇淋店不同，他们也知道怎么导航街道以到达每个地方。”
映射视觉大脑
迪尔克斯在识别与面孔、地点和物体处理相关的视觉皮层特定功能方面处于前沿——我们如何识别和导航我们周围的世界。他还在开创研究这些功能发展的时间线的方法，从婴儿期到成年期。
他解释说：“神经科学中的两个基本问题是，知识在大脑中是如何组织的，以及这种知识的来源。换句话说，您天生具有什么知识，而随着成长知识是如何发展的？”
功能性磁共振成像(fMRI)技术提供了一个观察这些问题的窗口。这种无害的非侵入性技术利用一个巨大的磁体扫描大脑并记录血液中的磁性特性。它测量流向某一大脑区域的血流量增加，表明该区域更为活跃。
在过去十年的成人研究中，迪尔克斯实验室显示，脑中有三个场景选择区域执行不同且不重叠的任务。旁海马地方区（PPA）使我们能够识别地点并将其聚类。后脾皮层复合区域（RSC）将地点映射到更大空间中的适当位置，使我们能够从一个地方导航到另一个地方。枕叶地方区（OPA）使我们能够在周围环境中走动，而不与边界或其他障碍物相撞。
迪尔克斯说：“我们现在无法修复大多数神经系统问题。但通过不断学习大脑是如何正常发展的，我们正不断接近能够修复在发生故障时的大脑。”
步行导航与基于地图的导航
在2024年，迪尔克斯和荣发现，用于在即时环境中步行、避开边界和障碍的脑部系统直到8岁才看起来像成年人的。
迪尔克斯说：“这似乎是反直觉的。大多数孩子在两岁之前就能走路。然而，帮助你在 immediate surroundings中走动的脑部系统，直到相对较晚才开始表现出成年人的特征。”
迪尔克斯和荣有一个理论，即看似更复杂和先进的基于地图的导航能力更早发展。他们注意到，即使在他们能够走好之前，孩子们也会被人从房间转移到房间，或用婴儿车从一个地方带到另一个地方，从而使他们可以基本上建立他们周围环境的地图。
在当前的论文中，他们为五岁的孩子创建了实验协议，以测试他们的理论。
他们以名为神经维尔的虚拟城镇开始，该城镇是迪尔克斯实验室为成年人研究开发的。它由围绕市中心的街道上布局的八栋建筑组成，并由四个主要方位所定位。
在与在埃默里儿童研究中心登记的五岁参与者进行测试时，荣很快发现神经维尔对他们来说有点复杂。她简化了这个范式，把它变成一个三角形，称之为微小城镇。代替主要方位，各种独特的自然景观划分了三角形的每个点，包括山区角、树木角和湖泊角。
她为微小城镇创建了六个结构，包括两个孩子普遍感兴趣的类别：冰淇淋店、游乐场和消防站。
让科学有趣
与儿童参与者进行实验需要创意和耐心，荣说。
“我们想要解决我们试图回答的科学问题，”她解释道，“但让参与研究的孩子们玩得开心也很重要。我们希望他们带着对科学的好印象离开。”
荣首先通过使用计算机上的箭头键让孩子熟悉虚拟城镇，让他们在街道中移动到不同的地点。然后，她邀请孩子们也这样做。“他们能做到这一点真的令人着迷，”她说。
这种熟悉之后是对他们知识的测试。她向孩子展示了微小城镇的静态图像，并询问诸如：您在微小城镇看到这个建筑吗？它在山区角吗？
大多数孩子通过了这个测试，并进入了下一个阶段：扫描训练。
荣将训练过程转变为一个涉及儿童和实验室成员的游戏。一个成年人会指着孩子说：“停止！”
“孩子们喜欢这样！他们尤其喜欢让房间里的成年人停下来，”荣说。“他们会指着我们中的一个说：‘轮到你了！’”
研究人员向参与者解释扫描仪就像一台相机，他们在机器中执行任务时需要保持完美静止，以免拍出模糊的照片。
然后，孩子们接受了游戏一样的任务训练，按下按钮以响应来自微小城镇的成对图像。例如，如果显示特定消防站的图像与山脉的图像结合在一起，他们需要在这个场景正确匹配成微小城镇时按下按钮。
参与者在模拟扫描仪中练习任务，然后进入真正的实验扫描仪。“我们给他们提供了一条毯子和一个枕头，让它变得舒适，并解释说他们会在自己私人的影院中看一部电影，”荣说。“他们真的很喜欢这个主意。”
最终的数据表明，五岁的孩子能够学习地图并将其在脑中保持。为了做到这一点，他们使用了自己的RSC——这个专门编码地图中建筑位置的脑区，使我们能够从一个地方导航到另一个地方。
锦上添花的是，参与研究的所有人——包括研究人员——都享受了这次体验。
荣说：“与孩子们一起工作真的很有趣。我了解到五岁是扫描孩子的神奇时刻。他们通常不害怕新事物。”
迪尔克斯实验室现在正在深入探讨大脑如何发展识别和在世界中移动的能力，通过为幼儿制定协议。
这比婴儿和五岁的孩子更具挑战。“在两岁到三岁之间，孩子基本上不听你的话，”荣说，她是一名三岁孩子的母亲。
她和实验室的同事们正在尝试涉及纸板扫描仪模型、卡通和圈饼干的策略。
荣说：“探索人类如何利用大脑不同部分进行复杂行为，以及随着年龄和经验的变化，这太迷人了。我们正在为临床应用铺平道路，包括更好地理解典型与非典型神经发展。”
