科學探索：首次發現大腦如何追蹤自己和他人的空間運動

圖片來源：Pixabay
科學家們首次記錄了我們的大腦如何在物理空間中導航和追蹤他人位置。研究人員讓癲癇患者在一間空房間裏走動，以尋找一處隱蔽的直徑 2 英尺（約合 61 厘米）的區域，同時用一種特製的無線背包監測他們的腦電波。這項研究發表在《自然》（Nature）期刊上。研究人員稱，參與者的腦電波體現出一種獨特的模式，這意味著每位參與者的大腦都映射出了牆壁和其他邊界。有趣的是，當參與者坐在房間的角落裏看著其他人四處走動時，他們的腦電波也會以相似的方式波動，表明這樣的腦電波也被用來追蹤其他人的行動。這項研究是美國國立衛生研究院（NIH）腦科學計劃（BRAIN Initiative）中通過新興神經技術進行大腦研究的項目之一。
“我們首次實現了直接研究人類大腦如何在與他人共享的實際空間中導航。”加州大學洛杉磯分校（UCLA）大衛·格芬醫學院（David Geffen School of Medicine）神經外科和精神病學助理教授、研究通訊作者 Nanthia Suthana 博士說，“我們的研究結果表明，在社會環境中，大腦可能使用同一種代碼來獲取我們和其他人的位置。”
Suthana 博士的實驗室研究大腦如何學習和記憶。在這項研究中，她的團隊征集了一組 31-52 歲、具有抗藥性的癲癇患者，他們已經通過手術在大腦中植入電極，來控製癲癇發作。


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電極位於大腦的記憶中心，即內側顳葉，這一部位也被認為用於控製導航，至少在齧齒動物中是這樣。在過去的半個世紀，包括三位諾貝爾獎獲得者在內的科學家在一次又一次的實驗中發現，顳葉中的神經元，也被稱為網格細胞（grid cells）和位置細胞（place cells），發揮著類似全球定位係統的功能。此外，科學家們還發現，這些細胞的神經活動的低頻波（theta 波）有助於齧齒動物在迷宮中或淺水區遊泳時知道自己和其它動物的位置。
“有一些間接證據顯示內側顳葉負責我們導航。但要更進一步驗證這些想法，在技術上還是很困難的。”加州大學洛杉磯分校的博士後，也是這篇文章的第一作者 Matthias Stangl 博士說。
Suthana 博士的研究團隊發明的特製背包，為在人類身上支持這些觀點，提供了迄今為止最直接的證據。這也是 NIH 腦科學計劃的研究成果之一。
“腦科學研究中許多重要的突破都是得益於技術的進步。這也是 NIH 腦科學計劃想做的。它刺激研究人員創造新的研究工具，然後用這些工具來推動我們對大腦以及腦部疾病的認識。”NIH 腦科學計劃主任 John Ngai 博士說。
這個背包的核心是一個計算機係統，可以無線連接通過外科手術植入病人頭部的電極。最近，研究人員稱，這個計算機係統可以同時連接多台設備，包括虛擬現實（VR）眼鏡、眼動追蹤器，以及心髒、皮膚和呼吸監測設備。
“直到目前，直接研究人類大腦活動唯一的方法就是要求受試者保持靜止，比如讓受試者躺在一個大型大腦掃描儀中，或是連接到一台可以進行電子記錄的設備上。2015 年，Suthana 博士帶著可能解決這個問題的想法來找到我，於是我們嚐試做了這樣的一個背包。”加州大學洛杉磯分校的研究生，文章作者之一 Uros Topalovic 說，“這個背包可以解放病人，也讓我們得以研究大腦在自然活動時如何運作。”


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為了研究內側顳葉在導航中的作用，研究人員讓參與者背上背包，並進入一間 330 平方英尺的空房間（約合 30 平方米）。
每麵牆上排列著一排 1 到 5 的彩色標誌，並且每麵牆上的標誌顏色相同。研究者通過安裝在天花板上的揚聲器，用電腦語音要求病人走到某一個標記前。一旦他們到達標記，就繼續語音提示他們尋找一個隱藏在房間某處、直徑為 2 英尺的區域。與此同時，背包會記錄患者的腦電波、穿過房間的路徑以及眼球運動。
起初，每個人需要幾分鍾才能找到特定的區域。但經過幾次試驗後，隨著他們對路線愈發熟悉，所需的時間越來越少。
電子記錄顯示了大腦活動的一種獨特模式。當參與者靠近牆壁時，theta 波比他們在房間中央徘徊時波動的更強，峰值更高，穀值也更低。這種情況隻發生在他們尋找某個特定的位置時。相比之下，當參與者按照指示走向牆上的彩色標誌時，研究人員發現 theta 波節律強度與位置之間沒有相關性。
“由這些結果可以得出，在特定的心理狀態下，theta 波可以幫助大腦指引邊界的位置。特別是在，我們集中注意力尋找某樣東西的時候。”Stangl 博士。
進一步的分析也支持了這樣的結論，並且協助排除了其它同樣可能產生這一結果的可能性，例如眼睛、身體或頭部不同的運動等。
奇怪的是，當參與者看著他人尋找位置時，他們的腦電波也有類似的模式。在這些實驗中，參與者會坐在房間角落的椅子上，背著背包，手放在鍵盤旁邊。參與者們知道隱藏點的位置，當別人到達時，他們就按下鍵盤上的按鈕。
同樣，當其他人靠近牆壁或地點時，參與者的腦電波波動非常強烈，而且這種模式隻在這個人在四處尋找的時候出現，而在按照特定方向行走時是不會出現的。
“我們的研究結果支持這樣的觀點，即大腦可能會利用這些腦電波模式來設身處地為他人考慮。”Suthana 博士說，“這個結果為我們理解大腦如何導航打開了一扇門，甚至可能有助於理解其他社會互動。”
Suthana 博士的研究團隊計劃更深入地探索這些想法。此外，該團隊還將該背包提供給其他想要研究大腦以及腦部疾病的研究人員。
翻譯：胡琦琳
審校：戚譯引
引進來源：國立衛生研究院
引進鏈接：https://eurekalert.org/pub_releases/2020-12/nion-sdh122120.php


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