大脑映射了像空间一样的想法和记忆
我们的人类总是经历了奇怪的奇怪而奇怪的 - 在居住的心理世界和物理世界之间，特别是在记忆中。我们擅长记住地标和设置，如果我们向记忆提供了上下文的位置，挂在他们身上变得更容易。记住长期讲话，古希腊和罗马音乐师想象遍布“记忆宫殿”充满了提醒。现代内存比赛冠军仍然使用该技术“放置”长期数字，名称和其他信息列表。
随着哲学家伊曼纽尔康德所说，空间的概念是我们认为和解释世界的组织原则，即使以抽象的方式也是如此。 “一般来说，我们的语言与空间隐喻串行，以纪念活动，”英国人工智能公司深度的神经科学家Kim Stachenfeld说。
在过去的几十年里，研究表明，对于我们至少有两个院系，记忆和导航，这些隐喻可能在大脑中具有物理基础。海马的小海象形状结构对这些功能都至关重要，并且证据已经开始建议，相同的编码方案 - 基于网格的代表形式 - 可能会使它们极大。最近的见解促使一些研究人员提出这种相同的编码方案可以帮助我们导航其他类型的信息，包括景点，声音和抽象概念。最雄心勃勃的建议甚至冒昧地冒险这些网格代码可能是了解大脑如何处理一般知识，感知和记忆的所有细节的关键。
1953年9月1日，世界上27岁的男子亨利莫里森将被称为“耐心，”在危险，实验竞标的危险之中才能治愈癫痫的衰弱情况。神经外科医生从H.M中的大脑中除去海马和周围组织，减轻了他的一些癫痫发作，但无意中离开了他常规的燕血剂。直到他的死亡超过半个世纪之后，小时无法编码新的记忆：不是他早餐的东西，也不是最近的新闻标题，也不是他在几分钟内介绍的陌生人的身份。
H.M.虽然悲惨，革命性的科学家的理解，对海马的角色扮演大脑如何组织内存的作用。
几年后，另一个居民革命迁移并赢得了诺贝尔奖：两种类型的细胞的发现，几十年来，这使得海马区域的基本职能包括不仅仅是记忆，而且还包括导航和陈述二维空间。
这是1971年的第一个，当研究人员发现“放置细胞”时，它基本上是射击的，表示一个人的当前位置。伦敦大学学院的神经科学家John O'Keefe以及他的同事监测了自由漫游大鼠的大脑活动，并观察到他们的一些神经元仅在他们在笼子的特定部分时射击。有些人活跃，因为一只老鼠嗅着，说，它的外壳的东北角，但仍保持安静;其他人在笼子的中心发射。也就是说，细胞编码了一个地方感（“你在这里”） - 并且在一起，他们创建了整个空间的地图。 （当大鼠放入不同的笼子或房间时，这些地方的细胞“重新映射”，编码不同的局部位置。）
这些发现启发了海马可能正在创造和存储“认知地图”的提议（这是由心理学家爱德华托勒曼在20世纪40年代首次提出的想法，以解释大鼠如何在空间的那些之外哄骗摩泽奖励的新捷径。至少，海马似乎是一个有希望的地方，开始寻找这种地图的提示。
这项工作最终导致了挪威科学技术大学的然后嫁给了一对科学家，梅尔布里特Moser和Edvard Moser，将注意力引导到Entorhinal Cortex，位于海马的隔壁。该地区提供了主要投入到海马 - 也是大脑在阿尔茨海默氏症，这将影响导航和内存恶化的首批领域之一。在那里，研究人员发现他们称之为网格细胞，专家现在认为这可能是最引人注目的认知地图制造商的候选人。
与地区单元不同，网格单元格不代表特定位置。相反，它们形成一个与位置无关的坐标系。 （结果，它们被称为大脑的GPS。）每个网格细胞在规则间隔的位置触发，形成六边形图案。想象一下，卧室的地板铺有普通六边形，所有六边形都分为六个等边三角形。当你走过房间时，你的一个网格细胞每次都会达到任何三角形的顶点。
不同组网格单元格式形成不同的网格：具有较大或更小的六边形的网格，沿其他方向导向的网格，彼此偏移。在一起，网格电池在环境中映射每个空间位置，并且任何特定位置由网格单元的射击图案的唯一组合表示。各种网格重叠的单一讲述身体必须是的大脑。
这种网格网络或代码构建了比地方电池更为内在的空间感。虽然位置小区提供了良好的导航手段，而在存在地标和其他有意义的位置以提供空间信息的情况下，但网格细胞提供了在没有这种外部线索的情况下导航的良好方法。事实上，研究人员认为网格细胞负责称为路径集成的内容，一个人可以跟踪她在太空中的地方 - 她从某个起点前进，以及哪个方向，说，蒙住眼睛。
“这个想法是，网格代码因此可以是某种度量或坐标系，”莱比锡的最大普朗克研究所和挪威的Kavli系统神经科学院隶属于Max Planck Institute。 “你可以基本上用这种代码测量距离。”此外，由于它是如何工作的，编码方案可以唯一能够有效地代表很多信息。
不仅如此：由于网格网络基于相对关系，它可以至少在理论上代表很多信息，而是也不只有很多不同类型的信息。 “网格细胞捕获是纽约大学医学院神经科学家GyörgyBuzsáki的动态实例化的动态实例化，”六角形的神经科学家GyörgyBuzsáki说：“六角形。”也许大自然只是这样的解决方案，使大脑能够使用网格单元，从词汇映射到未来计划的映射来代表任何结构化关系。
“我们一直在思考海马和Entorthinal Cortex机械如何具有更通用的目的，”Stachenfeld说。 “这是一个非常强大的想法，你可以拥有一个[网格单元]结构一般表示，并将其更快地应用于新情况。”反过来，又允许一个“更有效地表现，更快地学习。”
由于研究人员通常无法在其测试对象中直接测量个体神经元，因此它们必须与其方法产生聪明。例如，在2010年，神经科学家们用一定的信号来寻找大脑的功能磁共振成像（FMRI）扫描作为网格细胞活性的间接签名。在导航虚拟环境的主题中出现这种“十六偏移”信号。事实证明，它还表征了其他任务，一些空间，有些不那么多。
最早的例子之一来到了两者之间的某个行为：视觉空间的导航。当猴子掌握到原始的时，只有他们的眼睛追踪图像，研究人员发现了在Entorhinal皮质中的网格细胞活性的证据。最近在人类的工作已经发现了相同的十六双向签名，一些实验甚至已经确定了在物理导航任务中已经观察到的网格代码的其他更直接的属性。
类似的原则也可能指导大脑如何编码时间。已经发现海马在某些情况下含有也表现为“时间细胞”神经元的地方细胞，激活以表明连续的时刻（而不是在太空中连续的位置）。大鼠将穿过迷宫，其中一个部分涉及在车轮或跑步机上的小跑，以便在继续前进之前的一些预定数秒。在该速度在大鼠运行到位时，它们的实际位置保持恒定，细胞在其海马中烧制以跟踪它们的时间进展：一些神经元在最初的几秒钟中活跃，其他几秒钟，其他的几秒钟，其他神经元在接下来的几秒钟中是活跃的。 “发现”将时间带到其他方程中，“贝尔蒙德说。
最近，上夏天在自然界发表的工作提出了一个编码系统的证据，这些系统在记忆或经验的背景下独特地代表了时间。由MOSERS领导的研究人员团队发现了一种跨越多个尺度的时间的编码方案，从几秒钟开始。虽然在时间组织和网格单元格之间尚未绘制显式链接，但科学家们已经看到了连接的提示：例如，在跑步机上运行的大鼠中的网格单元信号经过时间。
去年，普林斯顿大学的科学家团队带来了另一个潜在的维度：声音。它们监测在推动杠杆以改变发出的基调的频率以使他们先前听到的大鼠的大脑活动。他们的观察暗示，大鼠可能在精神上通过他们思想中的“声学空间”来找到所需的基调。 [编者注：这项工作部分由Simons Foundation资助，该基金会还资助这一纪念独立杂志。]
也许大多数诱人的所有化，2016年进行的一个实验引入了一个关于网格细胞行为的更多抽象背景。由牛津大学的计算神经科学家蒂莫西代表领导的研究人员让人们在屏幕上观看鸟类的剪影，作为其颈部的长度，其腿的长度或两者都被拉伸和压缩。十六双向信号在其FMRI数据中出现，在大脑的几个区域;它的变化就好像测试对象导航二维“鸟空间”，其中一个轴表示颈部长度，另一个腿长。
该发现建议大脑通过物理空间和概念空间来处理轨迹的方式。现在，包括Behrens，Bellmund和神经科学家Christian Doeller在内的研究人员建议在感兴趣的特征方面可以通过这种方式绘制所有知识 - 可以组织不同的对象，不同的经验和不同的存储器，并遍历网格代码。
“它似乎是非常任意的，它可以映射的尺寸是什么，”Bellmund说。 “有趣的是，它似乎在域中似乎是如此普遍，但机制似乎被保留了。”
这项工作添加了德国神经退行性疾病中德国中心的认知神经科学家托马斯·沃尔斯，呼吁网格细胞只是构成“纯粹位置信号” - 硬连线和专业化的想法。 “到目前为止，我们只在太空中看到了它，因为我们只看过导航任务和范例，”他说。 “这可能更容易受到更容易。”
看到一些有趣的初步结果的一个区域是社会行为。我们一直在空间术语中想到社会：有社会梯队攀登，网络建设和扩大，我们认为“关闭”或“遥远”。现在，一些研究小组正在探究网格代码证据的社会关系。
最近的一项研究没有与鸟类实验不同的二维空间：人们播放了一款计算机游戏，以可以改变其权力或隶属度的方式与人物交互。研究人员发现，相对于测试对象，海马似乎跟踪该空间中的字符的位置。虽然实验并未确定海马是否以网格状方式导航的社会信息，Matthew Schafer，伊坎科医学院的研究生目前正在研究该项目，预计会发现Telltte Hexadirectal信号。 （他和其他人现在正在研究如何在自闭症谱系障碍等条件下扰乱或以其他方式受到影响。）
这些想法可能使追求隐藏在其他类型的空间隐喻的线索的值得注意的是：神经元除了放置细胞和网格细胞，毕竟可能还有一些东西可以贡献。当动物在特定方向上指向一个特定方向的头部时，有头向电池，并且速度细胞表示一个速度移动到空间的速率，甚至代表墙壁或其他环境边界的位置的边界单元。
在更抽象的背景下研究这些神经元可能会产生新的见解。例如，据报道边界小区活动不仅仅是物理空间的边界，而且还报告了时间序列中的单独事件之间的边界。这些神经元也可以在概念之间形成边界的角色，在大脑中创造不同的知识域名吗？或者头部方向细胞可以帮助一个定位在给定的主题中的一个定位？这种类比的潜力是巨大的。
相同的是获得对疾病和其他国家的更好理解。 Wolber研究老龄化，在最近发表的论文中，他和他的同事们检查了人们的空间导航网格代码如何变化。他们发现信号变得不那么稳定，具有方向之间的电网波动 - 并且具有较差稳定的网格的人们在蒙上窗帘和沿着迂回课程的蒙蔽和导致时，具有更少稳定的网格。 Wolbers表明，如果网格代码用于处理多种信息和记忆，则可能使空间电网系统不稳定的病理可能对存储器和其他认知区域的稳定性产生更大的影响。
仍然是“在这个阶段，”他警告说，“可用的数据很少。我们必须谨慎。“
伦敦大学学院的行为神经科学家Kate Jeffery同意。当然，如果后者可以用在二维比例上连续地差异，大脑可能使用共同系统来编码空间和非缺课知识。但是，一些认知任务也可能是如此复杂和不自然，大脑被迫依靠空间类似物作为拐杖才能通过它们。杰弗德说，也许是对频率和拉伸鸟类的实验，杰弗德说。
为了进一步水解网格代码的更广泛的应用程序，研究人员首先希望弄清楚这些细胞如何在两个以上的方面工作，因为更高级别的知识往往涉及远远超过一对质量，如颈部长度和腿部长度或电力和关联。这是目前在飞行蝙蝠中检查的东西，它贯穿三个维度而不是两个。
一些研究人员正在制作更大胆的索赔。杰夫·霍金斯（Jeff Hawkins）Numenta的机器智能公司的创始人领导了一支努力应用网格代码的团队，而不仅仅是为了解释海马区域的内存相关功能，而是要了解整个Neocortex - 并与之解释认知，以及我们如何模拟我们周围世界各个方面的。根据他的“千粒大脑的智力理论”，他说，“皮质不仅仅是处理感官输入，而是加工并将其施加到一个位置。”当他第一次想到这个想法时，以及如何促进它，他补充道，“我跳出了我的椅子，我很兴奋。”
想象一下，关闭你的眼睛并缠绕在一个身份不明的物体周围：在这种情况下，咖啡杯。霍金斯陷入困境，大脑采用关于触摸杯表面的每种皮肤斑点的位置的信息，相对于杯子本身 - 如电网代码让您在空间中的位置，相对于您所在的房间。每种皮肤都会产生它可能触摸的独立模型;然后，所有这些模型都会被交叉引用，以达到对象确实是咖啡杯的结论。
霍金斯认为相同的逻辑可以应用于具有结构化框架的任何东西。 “我们所做的一切 - 计划，数学，物理，语言 - 将基于相同的原则，”他说。 “我觉得我们在这里在一个尖骨上，突然间我们将有一个新的范式来了解大脑如何工作。”
虽然假设在其他研究人员中引起了激烈的兴趣，但它们仍然持怀疑态度，即将在海马附近找到网格细胞，并说霍金斯和他的团队有很长的路要证明他们的模型的力量。 尽管如此，它还提供了思考如何提高人工智能的良好起点。 如果电网框架确实是一个普遍的框架，它可以模仿建造更灵活，创造性，一般和强大的机器。 该领域刚刚开始抓住这些概念。 目前，研究人员继续探讨海马的活动在不同的背景下，希望最终将其内存和导航功能统一一次和所有。 “当概念和认知思想真正开始与极低的神经数据开始连接时，”Stachenfeld说：“它真的非常令人满意。”
