研究人員確定人體大腦內有指南針系統

科學日報報道，人的大腦擁有個非常複雜的指南針系統，它能夠在你移動時追蹤你所面對的方向；可以記住如何從一個地方前往另一個地方。美國賓夕法尼亞大學的 研究人員的最新研究顯示了大腦是如何固定這一精神指南針的。這項發現為心理學家長久觀察到的導航行為：也即為人們會利用幾何關係進行定位，提供了神經學基 礎。這項研究與今年獲得諾貝爾生理學或醫學獎的研究相關，它提供了對空間記憶以及它將如何幫助我們建立事件記憶的理解的新維度。

這項研究是由美國賓夕法尼亞大學藝術和科學學院心理學教授拉塞爾•愛普斯坦（Russell Epstein）和愛普斯坦實驗室的博士後研究員史蒂文•馬爾謝特（Steven Marchette）帶領進行的。其它合作者還包括實驗室成員研究生琳賽•瓦斯（Lindsay Vass）和研究員傑克•萊恩（Jack Ryan）。研究結果被髮表在期刊《自然•神經科學》上。

“想象一下從地鐵口出來，” 馬爾謝特説道。“你知道你此刻所處的方位，但你仍然會經歷四處張望試圖確定你的朝向的過程。你可能會想，‘我現在面朝市政廳，那麼我一定是朝東’，這個過程大約需要一秒的時間。”

“我們感興趣的是人們是如何重置自己的方向感，以及他們實現這一點是依賴環境裏哪些線索。”為了測試大腦是如何做出這些推論的，研究人員設計了一項實驗，他們將被試者引入一個虛擬環境裏，一個有四座博物館的公園裏。研究人員要求被試者記住這些博物館裏展出的日常物品的位置。然後他們在要求被試者回答這些物體之間的空間關係時，例如自行車究竟是放在蛋糕的左邊還是右邊，對被試者的大腦進行了掃描。

科學家們使用了一種測量大腦不同區域血流量的技術，也被稱為功能核磁共振成像（fMRI）對被試者進行大腦掃描，研究人員主要關注於一個名為壓後皮層(retrosplenial complex，簡稱RSC)的區域。這個區域經歷嚴重損傷的人們能夠識別環境裏的地標，但是無法回憶如何從一個地方到達另一個地方，這暗示着這片區域在導航和定位所使用的記憶類型中起着特殊的作用。

“科學家們對壓後皮層的探索非常有限，” 愛普斯坦説道。“雖然我們無法調查每一個神經元，就像奧基夫和莫索爾夫婦獲得諾貝爾獎的研究一樣，但利用fMRI的優勢之處在於我們無需事先決定要記錄大腦哪部分區域。” 壓後皮層編碼這種信息並作為精神指南針的一部分有三種主要的途徑。

一種就是“全球系統”，也即大腦會忽略一個人所處環境的任何視覺線索，而追蹤一個人面對的絕對方向。事實上我們有證據表明這樣的系統存在於大腦裏，但是賓夕法尼亞大學的研究小組懷疑壓後皮層是否是這一系統的中央組成部分。

第二種是“特異性”系統，也即大腦會對每一個環境獨立的進行方向追蹤。在這樣的系統裏，回憶你的桌子是位於辦公室北面牆邊涉及回憶辦公室本身並挑選出相關特徵。

最後一個方法是“幾何學”系統，它建立於環境裏的特徵之間更普遍的關係。因此回憶你的辦公桌位於辦公室背面牆邊需要涉及回憶辦公桌和門之間的關係——也就是當我走進辦公室辦公桌位於門左邊——而無需回憶辦公室本身。

研究小組構建的虛擬公園對於區分被試者用於確定自己相對這些物體的位置時究竟使用的是哪一種系統至關重要。公園的四座博物館以四葉草的樣式環繞中央廣場分佈，但只能從南部進入這個公園。每一座博物館都有一扇單獨的門，所有的都朝向廣場中央。每一座博物館都非常獨特但佈局相同：一間單獨的房間裏包含8個獨特的物體，每面牆上有兩個物體。這些物體都被放在壁龕裏，因此被試者只能從正面看到它們。

“我們這樣精心設計是為了讓被試者清楚的知道每一座博物館的後壁指向四個主方向之一。” 馬爾謝特説道。“通過將物體放在壁龕裏，我們確保了他們只能朝正東、正南、正西、正北四個方向時才能看到它們。”

在虛擬環境裏隨意閒逛後，被試者被測試了這些物體的位置。他們被要求在一天或兩天後回到實驗室內，這使得他們在接受核磁共振成像掃描前有機會刷新有關物體位置分佈的記憶。隨後他們被展示四個博物館之一里的一對物體的單詞，並被詢問第二件物體位於第一件物體的左邊還是右邊。

研究人員使用了一名被試者做出回應的一半數據來校準他們對這名被試者壓後皮層的測量，然後與剩下另一半回應的激活樣式進行對比。“如果壓後皮層支持全球系統，那麼它對人們想象自己是面朝後壁還是左邊的牆應該沒有影響；如果你在一個博物館裏面朝北部而在另一個博物館裏面朝南部，那麼激活樣式應該是相似的。正如我們所預期的，這一現象並未發生。”

“類似的，對於特異性系統而言，我們預計當回憶兩個不同博物館的後壁時將會產生不同的樣式，因為你將會回憶博物館裏的這間房子本身。結果發現這一現象也沒產生。”

相反，當被試者設想觀察相對周圍環境具有相同幾何學關係的物體時，無論被試者所面朝的“真實”方向是什麼，產生的樣式應該是相似的。例如，回憶兩個不同博物館後壁上物體將會產生相似的激活樣式，即使其中一個博物館的後壁朝北，而另一個朝東。

“基於這些相似性，我們甚至能夠重建被試者回憶的位置，” 愛普斯坦説道。“基於被試者的一半回應，我們知道所需要尋找的是什麼，由此我們可以完全根據fMRI數據估計一個特定視野的方位，且它們距離視野的真正位置非常接近。我認為這是非常了不起的結果，彷彿我們能夠從某個人的大腦裏讀取博物館的平面圖。由於博物館是幾何學相同的，那麼壓後皮層會對所有博物館使用相同的‘平面圖’。”

研究小組的結果將提供人們在方向導航時大腦裏發生過程的更完整的畫面。“一直以來心理學家都推斷幾何學對於這種記憶至關重要，” 愛普斯坦表示，“但現在這項研究首次顯示它背後的神經學基礎。我們希望這將提供深入研究這片大腦區域的新機會。”