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(chǎng)景中物體的運(yùn)動(dòng)。
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?yàn)橹行牡淖鴺?biāo)系，如緯度和經(jīng)度。在這樣一個(gè)以地球?yàn)橹行牡淖鴺?biāo)系中，位置(比如你的家)隨時(shí)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(duì)于太陽的位置。這樣的系統(tǒng)對(duì)于試圖找出你住在哪里的人來說顯然是無用的，因?yàn)殡S著地球相對(duì)于太陽的旋轉(zhuǎn)，以太陽為中心的坐標(biāo)中的地址會(huì)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(dá)信息，并在坐標(biāo)系之間傳遞，以指導(dǎo)你的行動(dòng)。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(duì)于眼心坐標(biāo)編碼的，聽覺信息最初是相對(duì)于頭心坐標(biāo)編碼的，等等。為了將這些感官信號(hào)結(jié)合起來，使一個(gè)人能夠感知整個(gè)場(chǎng)景，必須在大腦中進(jìn)行一系列有趣的計(jì)算。
然而，當(dāng)你在環(huán)境中移動(dòng)時(shí)，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(rèn)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(yùn)動(dòng)時(shí)，大腦中的神經(jīng)元如何代表物體的運(yùn)動(dòng)。
具體來說，研究人員研究了觀察者如何判斷物體相對(duì)于觀察者頭部或相對(duì)于世界的運(yùn)動(dòng)。
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(shí)更加靈活——提供了關(guān)于大腦內(nèi)部運(yùn)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(dòng)，你需要計(jì)算球相對(duì)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?；蛘?，如果你正在跑步，看著隊(duì)友把球踢向球門，你需要計(jì)算球相對(duì)于球門的軌跡，以確定隊(duì)友是否得分。由于目標(biāo)相對(duì)于世界是固定的，它將需要一個(gè)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(yùn)動(dòng)才能成功。”“最大的問題是：大腦是如何做到這一點(diǎn)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(yùn)動(dòng)的任務(wù)的瞬時(shí)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(yùn)動(dòng)，并根據(jù)提示在實(shí)驗(yàn)間切換。
研究人員記錄了大腦兩個(gè)不同區(qū)域的神經(jīng)元發(fā)出的信號(hào)，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(duì)物體運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)會(huì)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(bào)告物體相對(duì)于其頭部的運(yùn)動(dòng)時(shí)，VIP中的神經(jīng)元會(huì)以頭部為中心的坐標(biāo)來表示物體的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)受試者被要求報(bào)告物體相對(duì)于世界的運(yùn)動(dòng)時(shí)，他們用世界中心的坐標(biāo)來表達(dá)物體的運(yùn)動(dòng)。
因?yàn)樯窠?jīng)元有如此靈活的反應(yīng)，這意味著大腦可以大大簡(jiǎn)化傳遞指導(dǎo)行動(dòng)所需信息的過程。
迪恩格里斯說：“這是第一項(xiàng)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(dá)空間信息，如物體運(yùn)動(dòng)。”“這意味著大腦可以解碼或“讀取”來自這個(gè)單個(gè)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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