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，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分析和理解，”Tatyana Sharpee教授說。“令人興奮的是，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)。感覺分子和事件的雙曲圖是用雙曲神經(jīng)圖來感知的。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:“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)未來理解各種大腦系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)。”

“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?！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，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。”

Hippocampal spatial representations exhibit a hyperbolic geometry that expands with experience