當你沿著通常的路線去上班或去雜貨店時，你的大腦會使用儲存在海馬體和內嗅皮層中的認知地圖。這些地圖儲存了你走過的路徑和你以前去過的地方的資訊，所以你可以隨時導航。
麻省理工學院的一項新研究發現，當你在沒有任何身體運動或感官輸入的情況下，僅僅思考一系列經歷時，這種心理地圖也會被建立和啟用。在一項動物研究中，研究人員發現，當動物使用操縱桿瀏覽一系列影像時，它們的內嗅皮層包含著一幅認知地圖。當思考這些序列時，這些認知地圖就會被啟用，即使這些影像是不可見的。
這是第一個透過啟用內嗅皮層的認知地圖來顯示非空間領域的心理模擬和想象的細胞基礎的研究。
「這些認知地圖被用來進行心理導航，沒有任何感覺輸入或運動輸出。我們能夠看到這張地圖的一個特征，當動物在心理上經歷這些經歷時，它就會呈現出來，」梅爾達德·賈紮耶裏說，他是麻省理工學院麥戈文大腦研究所的大腦和認知科學副教授，也是這項研究的資深作者。
麥戈文研究所的科學家Sujaya Neupane是今天發表在【自然】雜誌上的這篇論文的主要作者。Ila Fiete是麻省理工學院腦與認知科學教授，麻省理工學院麥戈文腦研究所成員，K. Lisa Yang綜合計算神經科學中心主任，也是這篇論文的作者之一。
心理地圖
對動物模型和人類的大量研究表明，物理位置的表征儲存在海馬體(一個小海馬形狀的結構)和附近的內嗅皮層中。每當動物穿過它以前去過的空間時，這些表征就會被啟用，就在它穿過空間之前，或者當它睡著的時候。
賈紮耶裏說:「大多數先前的研究都集中在動物在空間中物理移動時，這些區域如何反映環境的結構和細節。」「當動物在房間裏活動時，它的感覺體驗會被海馬和內嗅皮層神經元的活動很好地編碼。」
在這項新研究中，Jazayeri和他的同事們想要探索這些認知地圖是否也被建立起來，然後在純粹的心理跑動或想象透過非空間領域的運動時使用。
為了探索這種可能性，研究人員訓練動物使用操縱桿在固定時間間隔間隔的一系列影像(「地標」)中追蹤路徑。在訓練過程中，只向動物展示了一小部份成對的影像，而不是所有成對的影像。一旦動物學會了在訓練組中導航，研究人員就會測試動物是否能處理它們以前從未見過的新組。
一種可能性是，動物沒有學習序列的認知地圖，而是使用記憶策略來解決任務。如果是這樣的話，預計它們將很難與新組合抗衡。相反，如果動物依賴於認知地圖，它們應該能夠將自己的知識推廣到新配對。
「結果是明確的，」Jazayeri說。「從第一次測試開始，動物就能夠在心理上在新影像對之間導航。這一發現為認知地圖的存在提供了強有力的行為證據。但是大腦是如何建立這樣的地圖的呢?」
為了解決這個問題，研究人員記錄了動物執行這項任務時內嗅皮層的單個神經元。神經反應有一個顯著的特征:當動物使用操縱桿在兩個地標之間導航時，神經元表現出與中間地標的心理表征相關的獨特活動。
賈紮耶裏說:「大腦在預期的時間內經歷了這些活動的顛簸，而這些幹擾影像本應透過動物的眼睛，但它們從未這樣做過。」「關鍵是，這些凸起之間的時間恰好是動物預期到達每個凸起的時間，在這種情況下是0.65秒。」
研究人員還表明，心理模擬的速度與動物在任務中的表現有關:當它們完成任務的時間稍晚或稍早時，它們的大腦活動在時間上顯示出相應的變化。研究人員還發現，有證據表明，內嗅皮層的心理表征並不編碼影像的特定視覺特征，而是編碼地標的順序排列。
學習模式
為了進一步探索這些認知地圖是如何工作的，研究人員建立了一個計算模型來模擬他們發現的大腦活動，並展示了它是如何產生的。他們使用了一種被稱為連續吸子模型的模型，這種模型最初是為了模擬內嗅皮層如何根據感覺輸入跟蹤動物運動時的位置而開發的。
研究人員透過添加一個能夠學習由感官輸入產生的活動模式的元件來客製模型。然後，當沒有感官輸入時，這個模型能夠學習使用這些模式來重建這些經歷。
「我們需要增加的關鍵因素是，這個系統具有透過與感官輸入交流進行雙向學習的能力。透過模型所經歷的聯想學習，它實際上會重現那些感官體驗，」Jazayeri說。
研究人員現在計劃研究，如果這些地標不是均勻間隔的，或者它們排列成一個圓圈，大腦會發生什麽。他們還希望記錄下動物第一次學習導航任務時海馬體和內嗅皮層的大腦活動。
賈紮耶裏說:「看到記憶結構在大腦中變得清晰，以及它是如何導致神經活動出現的，這是研究學習是如何發生的一個非常有價值的方法。」
這項研究是由加拿大自然科學和工程研究委員會、quacimbec研究基金、美國國立衛生研究院以及保羅和莉拉·牛頓腦科學獎資助的。
