2019年2月11日

增强现实中的老鼠有助于展示大脑如何确定位置

在GPS时代之前，人类不能通过屏幕上指向确切街道的箭头来确定方向，而是通过记忆地标，并利用学习到的时间、速度和距离之间的关系来确定方向。例如，他们必须知道，10分钟的快走可能相当于半英里的路程。

约翰霍普金斯大学的一项新研究发现老鼠“重新校准这些习得关系的能力每时每刻都在不断发展。

该研究结果将于2月11日发表在自然，让我们深入了解大脑是如何在大脑中创建地图的。

“海马体和大脑中的邻近区域帮助我们弄清楚我们在世界上的位置，”马努·Madhav说，他是约翰霍普金斯大学Zanvyl Krieger精神/大脑研究所的博士后助理，也是这项研究的主要作者之一。“通过研究这些区域神经元的放电模式，我们可以更好地了解我们是如何定位的。”

大脑接收到两种类型的线索来帮助这种映射;第一种是外部地标，比如街道尽头的粉红色房子，或者人们记得用来标记特定位置或距离的变色地砖。

论文的主要作者、约翰霍普金斯大学机械工程系的博士候选人拉维·贾亚库马尔说:“第二种线索来自一个人在世界上的自我运动，比如体内有一个速度计或计步器。”“基于你的速度或步数，通过计算一段时间内的距离，即使你没有地标可以依靠，你的大脑也能估计出你走了多远。”这个过程称为路径集成。

但是如果你走了10分钟，你对你所走的距离的估计总是一样的吗?还是它是由你最近的世界经验塑造的?为了调查这一点，研究小组研究了老鼠在圆形跑道上跑一圈。他们在跑道上方一个类似天文馆的圆顶上投射出各种形状作为地标，并将这些形状与老鼠的方向相同或相反移动。就像在电脑游戏中一样，标志性的速度取决于动物在每一刻的奔跑速度，这创造了一个增强现实环境，在这个环境中，老鼠认为自己比实际跑得慢或快。

在这些实验中，研究小组研究了大鼠的“定位细胞”，即当动物在熟悉的环境中访问特定区域时激活的海马神经元。当老鼠认为它已经跑了一圈并回到了相同的位置时，一个位置细胞就会再次启动。通过观察这些神经元的放电模式，研究人员确定了大鼠认为自己在世界上奔跑的速度。

当研究人员停止投射形状，只给大鼠留下自我运动线索(例如，它们体内的速度计)来引导它们时，定位细胞放电显示，大鼠继续认为自己比实际跑得更快(或更慢)。研究人员说，在增强现实环境中旋转地标的体验，使动物对每一步移动的速度和距离的感知产生了持久的变化。

“众所周知，动物在发育过程中必须重新校准它们的自我运动线索;例如，动物的腿会随着生长而变长，这就会影响它们对走路距离的测量，”Madhav说。“然而，我们的实验室表明，即使在成年期，重新校准也是分分钟进行的。我们在不断地更新我们在世界上的身体运动的模型，更新我们在大脑内部地图中的位置。”

这项研究的发现为基于时间和空间的记忆是如何形成的提供了额外的证据。“我们知道，人类的海马体不仅参与空间映射，而且对形成我们日常生活经历的有意识记忆也至关重要，”约翰·霍普金斯大学的神经科学家詹姆斯·克尼利姆说，他与同样来自该大学的机械工程师诺亚·考恩一起领导了这项研究。因为空间定向障碍记忆丧失是阿尔茨海默病的首批症状之一海马神经元这些发现可以进一步研究，以了解阿尔茨海默病和其他神经退行性疾病的病因和潜在治疗方法。