我們的大腦使用各種參考系統(tǒng)(也稱為坐標(biāo)系)來表示場景中物體的運動。
有些坐標(biāo)系比其他坐標(biāo)系更有用。例如，為了表示地球上的位置，我們可以使用以地球為中心的坐標(biāo)系，如緯度和經(jīng)度。在這樣一個以地球為中心的坐標(biāo)系中，位置(比如你的家)隨時間是不變的。但是，也可以使用以太陽為中心的坐標(biāo)系來表示住宅相對于太陽的位置。這樣的系統(tǒng)對于試圖找出你住在哪里的人來說顯然是無用的，因為隨著地球相對于太陽的旋轉(zhuǎn)，以太陽為中心的坐標(biāo)中的地址會不斷變化。
人腦也面臨著同樣的問題，那就是在合適的坐標(biāo)系中表達信息，并在坐標(biāo)系之間傳遞，以指導(dǎo)你的行動。部分原因是感覺信息是在不同的參考系中編碼的：視覺信息最初是相對于眼心坐標(biāo)編碼的，聽覺信息最初是相對于頭心坐標(biāo)編碼的，等等。為了將這些感官信號結(jié)合起來，使一個人能夠感知整個場景，必須在大腦中進行一系列有趣的計算。
然而，當(dāng)你在環(huán)境中移動時，神經(jīng)元如何在不同的參考系中表示物體？
在《自然神經(jīng)科學(xué)》雜志上發(fā)表的一篇論文中，羅切斯特大學(xué)的研究人員，包括大腦和認知科學(xué)教授格雷格迪恩格利斯，研究了當(dāng)觀察者也在運動時，大腦中的神經(jīng)元如何代表物體的運動。
具體來說，研究人員研究了觀察者如何判斷物體相對于觀察者頭部或相對于世界的運動。
他們的發(fā)現(xiàn)——特定大腦區(qū)域的神經(jīng)元在參考系之間切換時更加靈活——提供了關(guān)于大腦內(nèi)部運作的重要信息，并可能用于神經(jīng)修復(fù)和腦部疾病的治療。
神經(jīng)元是固定的還是靈活的？
想象你正在踢足球。如果你在跑步，想讓球向前移動，你需要計算球相對于頭部的軌跡，這樣頭部就能接觸到球。因此，以頭部為中心的坐標(biāo)系將非常有用。或者，如果你正在跑步，看著隊友把球踢向球門，你需要計算球相對于球門的軌跡，以確定隊友是否得分。由于目標(biāo)相對于世界是固定的，它將需要一個以世界為中心的坐標(biāo)系。
迪恩格利斯說：“根據(jù)執(zhí)行的任務(wù)，大腦需要在不同的坐標(biāo)系中表示物體的運動才能成功?！薄白畲蟮膯栴}是：大腦是如何做到這一點的？”
研究人員希望確定大腦是否必須在具有不同固定參考幀的不同神經(jīng)元之間切換——例如，在以頭部為中心的神經(jīng)元和以世界為中心的神經(jīng)元之間切換——或者神經(jīng)元是否靈活，并根據(jù)代表物體運動的任務(wù)的瞬時要求更新其參考以確定幀。
研究人員訓(xùn)練受試者以頭部坐標(biāo)為中心或以世界為中心判斷物體的運動，并根據(jù)提示在實驗間切換。
研究人員記錄了大腦兩個不同區(qū)域的神經(jīng)元發(fā)出的信號，發(fā)現(xiàn)大腦腹側(cè)頂葉(VIP)區(qū)域的神經(jīng)元具有非凡的特征：它們對物體運動的反應(yīng)會根據(jù)任務(wù)而變化。
即神經(jīng)元沒有固定的參照系，而是靈活地適應(yīng)任務(wù)的要求，相應(yīng)地改變自己的參照系。
當(dāng)要求受試者報告物體相對于其頭部的運動時，VIP中的神經(jīng)元會以頭部為中心的坐標(biāo)來表示物體的運動。當(dāng)受試者被要求報告物體相對于世界的運動時，他們用世界中心的坐標(biāo)來表達物體的運動。
因為神經(jīng)元有如此靈活的反應(yīng)，這意味著大腦可以大大簡化傳遞指導(dǎo)行動所需信息的過程。
迪恩格里斯說：“這是第一項研究，它表明神經(jīng)元可以根據(jù)給受試者的指令，在不同的坐標(biāo)系中靈活地表達空間信息，如物體運動?！薄斑@意味著大腦可以解碼或“讀取”來自這個單個神經(jīng)元組的信息，并可以獲得任何任務(wù)情況所需的信息。”
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