年幼的孩子有時(shí)相信月亮在跟著他們，或者他們可以伸手觸摸它。它看起來(lái)比實(shí)際距離要近得多。當(dāng)我們?cè)谌粘Ｉ钪幸苿?dòng)時(shí)，我們傾向于認(rèn)為我們以線性的方式在空間中導(dǎo)航。但索爾克的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，花時(shí)間探索一個(gè)環(huán)境會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)表征以令人驚訝的方式增長(zhǎng)。

該研究結(jié)果發(fā)表在《Nature Neuroscience》。研究表明，海馬體中對(duì)空間導(dǎo)航、記憶和規(guī)劃至關(guān)重要的神經(jīng)元以一種符合非線性雙曲幾何的方式表示空間——一種向外呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的三維空間。(換句話說(shuō)，它的形狀就像一個(gè)不斷膨脹的沙漏的內(nèi)部。)研究人員還發(fā)現(xiàn)，空間的大小隨著在一個(gè)地方停留的時(shí)間而增加。它的大小以對(duì)數(shù)的方式增加，與大腦處理的信息的最大可能增加相匹配。

這一發(fā)現(xiàn)為分析涉及學(xué)習(xí)和記憶的神經(jīng)認(rèn)知障礙(如阿爾茨海默病)的數(shù)據(jù)提供了有價(jià)值的方法。

“我們的研究表明，大腦并不總是以線性方式活動(dòng)。相反，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)沿著一條擴(kuò)展的曲線運(yùn)行，可以使用雙曲幾何和信息論來(lái)分析和理解，”Tatyana Sharpee教授說(shuō)?！傲钊伺d奮的是，大腦這一區(qū)域的神經(jīng)反應(yīng)形成了一張地圖，根據(jù)在給定地方投入的時(shí)間而擴(kuò)大。當(dāng)動(dòng)物在環(huán)境中跑得更慢或更快時(shí)，這種影響甚至適用于時(shí)間上的微小偏差。”

Sharpee的實(shí)驗(yàn)室使用先進(jìn)的計(jì)算方法來(lái)更好地了解大腦是如何工作的。他們最近率先使用雙曲幾何來(lái)更好地理解像氣味分子這樣的生物信號(hào)，以及對(duì)氣味的感知。

在目前的研究中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)雙曲幾何也能指導(dǎo)神經(jīng)反應(yīng)。感覺(jué)分子和事件的雙曲圖是用雙曲神經(jīng)圖來(lái)感知的。空間表示隨著大鼠探索每個(gè)環(huán)境的時(shí)間而動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。而且，當(dāng)一只大鼠在一個(gè)環(huán)境中移動(dòng)得更慢時(shí)，它獲得了更多關(guān)于空間的信息，這導(dǎo)致神經(jīng)表征增長(zhǎng)得更多。

Sharpee實(shí)驗(yàn)室的研究生Huanqiu Zhang說(shuō):“這些發(fā)現(xiàn)為神經(jīng)表征如何隨著經(jīng)驗(yàn)而改變提供了一個(gè)新的視角。我們研究中確定的幾何原理也可以指導(dǎo)未來(lái)理解各種大腦系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)?！?/p>

“你可能會(huì)認(rèn)為雙曲幾何只適用于宇宙尺度，但事實(shí)并非如此，”Sharpee說(shuō)?！拔覀兇竽X的工作速度比光速慢得多，這可能是雙曲效應(yīng)在可掌握空間而不是天文空間中觀察到的原因。接下來(lái)，我們想了解更多關(guān)于大腦中這些動(dòng)態(tài)雙曲線表征是如何生長(zhǎng)、相互作用和相互交流的?！?/p>

Hippocampal spatial representations exhibit a hyperbolic geometry that expands with experience