美国麻省理工研究揭示睡眠中大脑构建空间认知地图机制

美国麻省理工学院的研究团队在探索大脑如何通过睡眠来学习并构建有意义的空间地图方面取得了重要进展。这项由韦国领导的研究，展示了大脑中的“弱空间细胞”在这一过程中扮演的关键角色。

大脑如何构建空间认知地图

研究发现，大脑利用一种称为“弱空间细胞”的特殊神经元，在睡眠期间将各个位置的信息连接起来，形成一个整体的认知地图。这些细胞与传统的“位置细胞”不同，后者主要负责记录特定地点的位置信息。而“弱空间细胞”则是在睡眠时逐渐增强其活动，帮助大脑将零散的位置信息整合成一张连贯的地图。这种整合过程不仅依赖于海马区已知的“位置细胞”，还需要“弱空间细胞”的参与，以确保最终形成的认知地图更加丰富和精确。

实验设计与观察结果

为了验证这一理论，研究人员设计了一系列实验。他们让小鼠自由地在一个简单的迷宫里探索，每天大约半小时，持续数天。值得注意的是，小鼠并没有被给予任何奖励，它们只是随意地探索环境。科学家们使用了一种基因工程技术，使海马区CA1区域的神经元在活跃时能够发出光亮，从而监测到数百个神经元的活动情况。除了记录小鼠清醒时的行为外，研究者还特别关注了小鼠在睡眠期间的神经活动模式。

实验结果显示，“位置细胞”的活动会在几天内迅速发展并保持稳定，但仅靠这类细胞不足以解释整个认知地图是如何逐步建立起来的。进一步分析表明，“弱空间细胞”在这一过程中发挥了关键作用。这些细胞不直接响应某个具体位置，而是与其他神经元活动模式相关联，从而充当不同位置之间的桥梁，将分散的信息片段缝合在一起。

睡眠对认知地图形成的重要性

研究还强调了睡眠对于巩固记忆以及优化认知地图的重要性。通过对比允许休息和不允许休息的小鼠之间差异，科学家们发现，那些有机会睡觉的小鼠在第二天再次探索迷宫时表现得更好，其心理地图也更加完善。这说明，睡眠期间发生的神经活动（如重播）有助于加强个体间的位置联系，促进更复杂、更准确的心理地图的形成。

心理地图的意义及其应用

该研究表明，通过这种方式形成的空间认知地图并不追求物理上的绝对准确性，而是提供了一个可以进行心理导航的基础框架。例如，当你在一个陌生城市中建立了基本的认知地图后，即使没有实际走过每条街道，也可以在脑海中规划出一条合理的路线前往目的地。此外，这种地图还能包含非空间信息，比如记住某个地方有你喜欢的食物店等，使得地图具有更多实用价值。

相关知识扩展

• 位置细胞：位于大脑海马区的一种神经元，当动物处于特定环境中某一位置时会变得活跃。它被认为是构成空间记忆基础的重要组成部分。
• 弱空间细胞：与位置细胞相比，这类细胞虽然也存在于海马区内，但它们的激活模式较为模糊，不是针对某个明确的位置，而是倾向于响应其他神经元活动模式的变化。因此，它们被认为在构建更大范围内的空间关系网络中起着重要作用。
• 流形学习：一种数据分析技术，用于从高维数据集中提取低维结构。在本研究中，它被用来识别和理解“弱空间细胞”之间复杂的相互作用模式。
• 重播现象：指动物在睡眠或静息状态下，大脑会重复播放白天经历过的事件序列。这种现象被认为有助于巩固记忆，并可能促进新知识的学习。