当你按照平常的路线前往工作或杂货店时，你的大脑会调用储存在海马体和内嗅皮层中的认知地图。这些地图存储了你曾经走过的路径和之前去过的地点的信息，因此你可以在需要时导航。麻省理工学院的新研究发现，当你想到这些序列时，即使图像不可视，这些心理地图也会被创建和激活。研究人员发现，内嗅皮层保持着动物在使用操纵杆穿过一系列图像时的认知地图。这意味着，当动物思考这些序列时，内嗅皮层中的认知地图就会被激活。
这项研究首次展示了在非空间领域激活内嗅皮层中的认知地图的心理模拟和想象的细胞基础。
内嗅皮层在心理表征和想象中发挥了至关重要的作用，即使没有身体运动或感觉输入。据麻省理工学院脑与认知科学副教授、麻省理工学院麦戈文脑科学研究所成员Mehrdad Jazayeri介绍，导航是在没有感觉输入或运动输出的情况下发生的，这种心理体验在大脑地图上留下了一个“印记”。麦戈文研究所的研究科学家Sujaya Neupane是这项研究的主要作者，该研究将发表于《自然》杂志。麻省理工学院脑与认知科学教授、麦戈文研究所成员Ila Fiete也将参与出版。来自神经神经科学中心的论文作者也是论文的作者之一。
心理地图
许多关于动物和人类的研究表明，海马体（一个海马状的结构）和附近的内嗅皮层是存储物理位置表征的地方。当动物通过它之前曾待过的空间时，这些表征会被激活，甚至在动物睡觉时也是如此。“之前的研究主要集中在这些区域如何反映动物在物理空间中移动的结构和环境细节。”Jazayeri解释道。“空间是一个重要的问题。当动物在房间内移动时，它的感觉经验被海马体和内嗅皮层的神经元有效地记录下来。”
这项新研究旨在调查这些认知地图是否也在纯粹的心理模拟或想象非空间领域的运动时构建和使用。
为了测试这一可能性，研究人员教动物使用操纵杆在一系列图像（“地标”）中导航。在训练过程中，动物只被显示一些图像对。
并不是所有的图像对都进行了测试，只有动物在训练中学习到的图像对。然后，研究人员测试动物是否可以处理它们之前从未见过的新图像对。
一种可能性是动物并没有学习到序列的认知地图，而是使用记忆策略来解决任务。如果是这种情况，它们会在新图像对中遇到困难。另一方面，如果动物依赖于认知地图，它们应该能够将其知识应用于新图像对。
“结果很明确，”Jazayeri解释道。“动物能够在一开始就心理导航这些新图像对。”在第一次测试时，发现有强有力的行为证据表明存在认知地图。但大脑是如何创建这样的地图的呢？为了回答这个问题，研究人员在动物完成这个任务时观察了内嗅皮层中单个神经元的活动。他们发现神经反应具有显著特征：当动物使用操纵杆在两个地标之间移动时，神经元显现出与中间地标的心理表征相关联的明显活动爆发。“大脑在动物处于特定位置时经历这些活动爆发的预期时间。”Jazayeri说。“经过的图像从动物的视线掠过，这些图像实际上并没有出现，而这些活动之间的时间恰好是动物预期达到每一个地标的时间，在这种情况下是0.65秒。”
研究人员还发现，心理模拟的速度与动物在任务上的表现相关。当它们在完成任务时稍有偏差时，它们的脑活动显示出对应的时间变化。研究人员还发现证据表明，内嗅皮层中的心理表征并不编码特定的视觉特征。
重点不在于图像，而在于地标的顺序排列。
教育模型
为了进一步研究这些认知地图的潜在功能，科学家们创建了一种计算模型以复制他们观察到的脑活动并展示其如何产生。他们利用了一种称为连续吸引子模型的模型，该模型最初旨在模拟内嗅皮层如何根据感觉输入监测动物在移动时的位置。
科学家们通过加入一个能够学习由感觉输入产生的活动模式的组件来调整模型。研究人员发现，大脑有能力从感觉输入中学习并使用该信息在没有感觉输入的情况下重现体验。根据Jazayeri的说法，这个系统进行双向学习所需的关键要素是与感觉输入的沟通能力。该模型能够通过联想学习重新创建感觉体验。研究人员计划进一步研究不均匀间隔的地标或环形排列的地标对大脑的影响。此外，他们还希望在动物学习时记录海马体和内嗅皮层的脑活动。
以执行导航任务。
“观察大脑中排列的记忆如何巩固，以及这如何导致神经活动的产生，是质疑学习如何发生的一个非常有用的方法，”Jazayeri解释道。
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、美国国立卫生研究院以及保罗和利拉·牛顿大脑科学奖的支持。
