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大腦中的地圖，在幫我們理解世界？
專輯深度中的原始Lindsay神經(jīng)現(xiàn)實(shí)|深潛
大腦是一個地方，每一寸土地都是寶貴的。因此，它像曼哈頓的高層建筑的建筑師一樣建造三維建筑，并盡可能有效地利用有限的空間。與我們的祖先不同，人腦充滿了溝壑，而不是一層扁平的細(xì)胞-這種有機(jī)的折紙結(jié)構(gòu)允許顱腔有限的能力來塞滿更多的神經(jīng)元。
但是，就像在任何擁擠的城市中發(fā)生交通擁堵一樣，擁擠的大腦也需要一種適合于長距離傳輸?shù)倪\(yùn)輸方式，發(fā)光的白色光纖束就像高速公路一樣，連接著大腦的所有區(qū)域。然而，在每個區(qū)域，神經(jīng)元的分布更集中在提高局部信息傳輸?shù)男噬?。在同一區(qū)域中，神經(jīng)元的活動表示信息，而相鄰的神經(jīng)元則表示相鄰的事物：相鄰的身體部位，視野中的相鄰區(qū)域或相鄰的空間位置等。因此，大腦就像地圖集一樣。它包含許多地圖-物理，視覺世界和我們生活的空間。當(dāng)大腦工作時(shí)，神經(jīng)元表達(dá)的抽象信息與其物理位置之間不一定存在任何聯(lián)系，但是由于表達(dá)相似信息的細(xì)胞始終需要相互通信，因此將它們放在一起可以減少通信消耗。
英國神經(jīng)科學(xué)家約翰·休格斯·杰克遜（John Hughlings Jackson）：以對癲癇的早期研究而聞名，他對大腦如何控制身體的各個部位和功能有了深入的了解。
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盡管人類早就學(xué)會了在進(jìn)化過程中使用這些大腦圖譜，但科學(xué)家直到最近才意識到它們的存在。在19世紀(jì)下半葉，神經(jīng)科學(xué)家約翰·休格斯·杰克遜（John Hughlings Jackson）首次開始懷疑大腦皮層中類似運(yùn)動控制的地圖結(jié)構(gòu)時(shí)，整個科學(xué)界都站在了他的對立面。那時(shí)，甚至沒有人提出“每個皮層區(qū)域都對應(yīng)一種特定功能”的說法，更不用說這些區(qū)域的內(nèi)部結(jié)構(gòu)了。
由于當(dāng)時(shí)神經(jīng)記錄技術(shù)的欠發(fā)達(dá)，杰克遜仔細(xì)觀察了癲癇發(fā)作在患者體內(nèi)的分布后繪制了精美的“地圖”。例如，從面部開始的癲癇病將發(fā)展到手臂。從腿上開始的那些會向上擴(kuò)散。每次攻擊的各個部分均按特定順序移動，中間部分永遠(yuǎn)不會被跳過或來回切換。因此，杰克遜推斷，代表人體各個部位的皮質(zhì)區(qū)域必須按照特定的順序排列。最后，他的預(yù)感得到了證實(shí)：對運(yùn)動皮層不同部位的電擊確實(shí)會刺激人體不同部位的活動。對現(xiàn)代幻肢綜合征的研究也使用了類似的方法：臨床醫(yī)生發(fā)現(xiàn)，由于代表面部和手部的大腦部位相鄰，因此面部運(yùn)動會導(dǎo)致截肢的幻肢疼痛。
不同區(qū)域的地圖是根據(jù)其功能繪制的，因此詳細(xì)程度有所不同：郊區(qū)或鄉(xiāng)村的圖標(biāo)很少，但是城市的細(xì)節(jié)可能對每一步都是準(zhǔn)確的-大腦中的地圖也一樣。在運(yùn)動皮層中，控制某個身體部位的區(qū)域取決于部位的使用，而不是部位的大小。小而非常有用的身體部位（例如手）被分配了許多神經(jīng)元來控制，這與上臂不同，上臂只負(fù)責(zé)一小部分皮層。神經(jīng)科學(xué)家使用此信息創(chuàng)建了一個``皮質(zhì)反派''：他身體部位的大小與人腦每個部位的皮質(zhì)區(qū)域成比例。由于他的四肢極其瘦弱大腦地圖，嘴唇和手非常粗大，他可能看起來很恐怖。這個荒謬而荒謬的圖像描繪了大腦如何描繪身體，因此實(shí)際上它實(shí)際上是“地圖的地圖”。皮質(zhì)小人還提醒我們，大腦沒有義務(wù)現(xiàn)實(shí)地描述事物，最重要的是使用
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這個小圖顯示了負(fù)責(zé)人體不同部位的感覺處理的大腦各部分的相對比例。注意手和臉特別大。
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這些人體模型證明了大腦中地圖的存在。但是，發(fā)現(xiàn)大腦中的地圖不是一個例外，而是普遍現(xiàn)象是戰(zhàn)爭以及由新開發(fā)的戰(zhàn)爭武器造成的破壞所帶來的代價(jià)。在1905年的日俄戰(zhàn)爭期間，眼科醫(yī)生Tatsuji Inouye負(fù)責(zé)檢查退伍軍人的受傷并據(jù)此確定津貼額。他在該位置上曾見過不同類型的頭部外傷，因此他有機(jī)會研究不同部位受傷的影響。在觀察選擇性盲法后，他得出結(jié)論，大腦中視覺空間的安排是有組織的，但可能違反直覺。視線的下半部分投射到視覺皮層的上半部分，反之亦然大腦地圖，被稱為精神分裂癥的深溝隔開；反之亦然。我們的左右視野也可以互換-右圖來自大腦左半球分析。
英國神經(jīng)學(xué)家戈登·福爾摩斯（Gordon Holmes）的研究進(jìn)一步支持了井上龍司的發(fā)現(xiàn)。
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如前所述，重要的身體部位在腦圖上占據(jù)較大位置。視覺皮層的大部分負(fù)責(zé)中央視覺，并且僅處理從視網(wǎng)膜中央的一小點(diǎn)接收到的信息。第一次世界大戰(zhàn)期間，英國神經(jīng)科學(xué)家戈登·霍姆斯（Gordon Holmes）在研究了許多視力受損的士兵后證實(shí)了井上的發(fā)現(xiàn)-可能是因?yàn)橛哳^盔的設(shè)計(jì)只是將枕頭暴露在了葉子所在的大腦底部。
經(jīng)過數(shù)十年的研究，我們現(xiàn)在可以確定視覺皮層中的每個神經(jīng)元都對應(yīng)于特定的視覺空間區(qū)域。因此，當(dāng)許多這樣的神經(jīng)元聚集在一起時(shí)，“視網(wǎng)膜拓?fù)鋱D”就形成了視覺空間圖。
但是此圖還包含另一個圖：之所以出現(xiàn)，是因?yàn)樯窠?jīng)元不僅從特定視覺區(qū)域接收刺激，而且對特定視覺信息模式的反應(yīng)也不同。在視覺信息處理的早期階段，模式可以指向不同的方向：當(dāng)我們看到水平線時(shí)，某些神經(jīng)元會興奮，而某些神經(jīng)元只會對垂直線做出反應(yīng)。視覺皮層中具有相似優(yōu)先響應(yīng)方向的神經(jīng)元實(shí)際上彼此相鄰。如果每個神經(jīng)元都沿相應(yīng)的視覺方向進(jìn)行染色，則視覺皮層上將出現(xiàn)彩虹漩渦等圖案：首先識別垂直線（以綠色表示）的細(xì)胞組會傾向于對角線（以藍(lán)色表示）。表示）單元格無縫地接壤，依此類推。各個方向的交匯處都將像風(fēng)車一樣，就像猶他州，科羅拉多州，新墨西哥州和亞利桑那州交界處的四個角州紀(jì)念館一樣，代表著不同皮質(zhì)區(qū)域的融合。
在方向圖的幫助下，大腦使用非三維信息來描述三維世界。這也是大腦經(jīng)常使用的映射方法。例如，耳蝸（內(nèi)耳中的小蝸牛狀結(jié)構(gòu)）在不同的空間位置接收不同頻率的聲波。高頻聲波刺激耳蝸的一側(cè)的細(xì)胞，而低頻聲波刺激耳蝸的另一側(cè)的細(xì)胞。不同音調(diào)的這種初始物理分離可以在聽覺系統(tǒng)中形成“頻率映射方法”。
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在我們的大腦中具有與生物網(wǎng)絡(luò)相同的原理，并且使用類似的方法來解決復(fù)雜的問題。
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由于地圖在大腦中到處都可以用來了解外界，因此我們可以推斷出地圖的作用不僅可以提高連接效率。地圖的無處不在確實(shí)激發(fā)了計(jì)算科學(xué)家去發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的更多計(jì)算功能。 Teuvo Kohonen（Teuvo Kohonen）于1982年提出了自組織地圖的概念：一種將三個維度折疊成兩個維度以更簡潔地表示復(fù)雜多樣信息的算法。例如，我們只能根據(jù)甜度和酸度來描述紅酒的口味，而忽略其他難以區(qū)分的口味。在構(gòu)建此新模型時(shí)，自組織映射算法將識別現(xiàn)有信息中最一致的特征。因此，大腦中的地圖可能被視為更深層計(jì)算過程的可見標(biāo)志-該計(jì)算過程旨在識別和解釋所接收信息中最一致的特征。
但是，如果大腦接收到的信息似乎是不可折疊的，難以定位的，或者這些位置之間沒有所謂的“相鄰”關(guān)系，該怎么辦？神經(jīng)科學(xué)家在研究氣味時(shí)遇到了這個問題。氣味的分子組成上的微小差異可能會對我們聞到的氣味產(chǎn)生巨大影響，例如，將紅糖的良好氣味轉(zhuǎn)變?yōu)橛谐粑兜狞S油。那么大腦是否應(yīng)該繪制氣味分子或味道的形狀，或兩者的某種組合圖？在控制味覺的大腦區(qū)域找不到答案，因?yàn)樗鼈兊姆植妓坪醪缓线壿?。利用現(xiàn)有的科學(xué)知識大腦地圖，可以推斷出我們需要從氣味中提取大量信息，以至于不可能進(jìn)行單個大腦映射。因此，到目前為止，尚未繪制出氣味圖。
即使可以還原一個簡單的類似于地圖的模板，也很難找到該模板。有些動物（例如貓和靈長類動物）的大腦中確實(shí)存在與特定方向相對應(yīng)的上述渦流，而其他動物（例如嚙齒動物）則沒有-它們不會優(yōu)先響應(yīng)大腦中相鄰的神經(jīng)元。聯(lián)系。烏龜甚至消除了視網(wǎng)膜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)映射。目前尚不清楚這些物種之間的差異以及這些差異對視覺功能產(chǎn)生影響的原因。
但是，我們也可以使用異常來反駁該規(guī)則：認(rèn)識到某個映射丟失了，因?yàn)樗鼞?yīng)該存在。神經(jīng)元的邏輯排列非常普遍，它們的存在非常容易識別，以至于我們對任何異常情況都無法接受。因此，地圖隱喻已成為科學(xué)旅程中的重要指南，引導(dǎo)神經(jīng)科學(xué)家繼續(xù)探索大腦。
作者：Grace Lindsay |封面：Davide Bonazzi
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