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科学家发现我们的大脑如何追踪我们和其他人的去向

科学家发现我们的大脑如何追踪我们和其他人的去向

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NIH BRAIN Initiative资助的研究人员使用一个特殊的背包无线监控癫痫患者在空旷的方形房间中寻找隐藏点时的脑电波。UCLA Suthana实验室提供。

科学家们首次记录了我们的大脑如何导航物理空间并跟踪他人的位置。研究人员使用一个特殊的背包无线监视癫痫病患者的脑电波,每个人都在一个空荡荡的房间里走来走去寻找一个隐藏的两英尺长的斑点。在《自然》杂志上发表的一篇文章中,科学家报告说,海浪以一种独特的方式流动,这暗示着每个人的大脑已经绘制出了墙壁和其他边界。有趣的是,每个参与者坐在房间一角并看着其他人走动时,它们的脑电波以类似的方式流动,这表明这些波也被用来追踪其他人的运动。该研究是通过推进创新神经技术®(BRAIN)计划进行的NIH脑研究的一部分。

戴维·格芬医学院的神经外科和精神病学助理教授Nanthia Suthana博士说:“我们首次能够直接研究人的大脑如何导航与他人共享的实际物理空间。”在加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)任高级作者。“我们的结果表明,我们的大脑可能会使用通用代码来了解我们和其他人在社交环境中的位置。”

Suthana博士的实验室研究大脑如何控制学习和记忆。在这项研究中,她的团队与一组抗药性癫痫患者(31-52岁)合作,他们的大脑已通过外科手术植入电极以控制癫痫发作。

电极位于大脑的称为中颞叶的记忆中心,也被认为至少在啮齿动物中控制着导航。在过去的半个世纪中,科学家(包括三位诺贝尔奖获得者)在一个又一个的实验中发现,该叶中的神经元被称为网格细胞和位置细胞,其作用像一个全球定位系统。此外,科学家发现,这些细胞发出的低频神经活动波(称为theta节律)有助于啮齿动物在迷宫中奔跑或在浅水池中游泳时知道它们和其他人的位置。


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科学家首次使用特殊的背包研究人的大脑如何在太空中导航并跟踪他人的位置。这项研究是由美国国立卫生研究院的脑计划发起的。加州大学洛杉矶分校Suthana实验室

几项间接证据支持了颞叶在我们导航中的作用。但是,要进一步检验这些想法在技术上是困难的。”加州大学洛杉矶分校的博士后学者,本文的主要作者马蒂亚斯·斯坦格尔(Matthias Stangl)博士说。

这项研究提供了迄今为止最直接的证据来支持人类中的这些想法,而Suthana博士的团队作为NIH BRAIN Initiative项目的一部分发明了一个特殊的背包,使之成为可能。

“大脑研究中许多最重要的突破都是技术进步所引发的。这就是NIH BRAIN Initiative的宗旨。它挑战研究人员创建新工具,然后使用这些工具来彻底改变我们对大脑和脑部疾病的理解。” NIH的BRAIN Initiative主任John Ngai博士说。

背包的核心部分包含一个计算机系统,该系统可以无线连接到外科植入患者头部的电极上。最近,研究人员表明,该计算机可以同时连接到其他几种设备,包括虚拟现实的护目镜,眼动仪以及心脏,皮肤和呼吸监测器。

“直到现在,直接研究人类大脑活动的唯一方法要求对象静止不动,要么躺在大型大脑扫描仪中,要么连接到电子记录设备上。2015年,Suthana博士向我提出了解决这个问题的想法,因此我们趁机制造了一个背包,”加州大学洛杉矶分校(UCLA)研究生,该研究的作者Uros Topalovic女士说。“背包释放了病人的生命,使我们能够研究自然运动过程中大脑的工作方式。”

为了检查内侧颞叶在导航中的作用,研究人员要求研究参与者将其放在背包上并进入一个空的330平方英尺的房间。

每堵墙都衬有一排排五色标志,编号从1到5,每堵墙一种颜色。通过安装在天花板上的扬声器,电脑声音让患者走到其中一个路标。当他们到达指示牌时,声音便要求他们寻找隐藏在房间某处的直径2英尺的斑点。同时,背包记录了患者的脑电波,穿过房间的路径以及眼睛的运动。

最初,每个人需要几分钟才能找到该地点。在随后的试验中,时间缩短了,因为他们对现场位置的记忆得到了改善。


由NIH BRAIN计划资助的研究人员发现,当我们在太空中导航或跟踪其他人的运动时,我们的大脑可能以类似的方式流动.png

 


NIH BRAIN计划资助的研究人员发现,当我们在太空中导航或跟踪其他人的运动时,我们的大脑可能以类似的方式流动。加州大学洛杉矶分校Suthana实验室

电记录揭示了大脑活动的独特模式。当参与者接近墙壁时,与在房间中间徘徊时相比,theta节奏流动得更强-更高的峰值和更低的山谷。这完全是在他们寻找地点时发生的。相反,当参与者按照指示步行到墙上的彩色标牌时,研究人员发现theta节奏强度与位置之间没有相关性。

这些结果支持这样的想法,即在某些精神状态下,θ节律可以帮助大脑知道边界位于何处。在这种情况下,我们就要集中精力寻找一些东西。” Stangl博士说。

进一步的分析支持该结论,并有助于排除结果可能由其他因素引起的可能性,例如与不同的眼睛,身体或头部运动相关的活动。

奇怪的是,当参与者看着其他人搜索某个地点时,他们看到了类似的结果。在这些实验中,参与者将坐在房间角落的椅子上,背着背包,手放在键盘附近。患者知道隐藏点的位置,每当其他人到达时,他们就按下键盘上的一个按钮。

同样,当另一人靠近墙壁或斑点时,参与者的脑波流动最强,并且这种模式仅在该人正在狩猎时出现,而没有遵循特定的方向。

Suthana博士说:“我们的研究结果支持我们的大脑可以利用这些波动模式将自己置于其他人的鞋子中的想法。” “结果为帮助我们了解大脑如何控制导航以及可能的其他社交互动打开了一扇门。”

Suthana博士的团队计划更深入地探索这些想法。此外,研究小组已将背包提供给其他想进一步了解大脑和脑部疾病的研究人员。 

今年,超过175个研究小组已从NIH获得了资助,以支持各种项目,包括绘制控制章鱼所见的神经电路图,以及通过升级驱动神经的计算机程序来帮助脊髓损伤瘫痪的人恢复运动。刺激装置。

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来源于:NIH



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