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圖片來(lái)源：Pixabay

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作者 NIH/NATIONAL INSTITUTE OF NEUROLOGICAL DISORDERS AND STROKE

翻譯 胡琦琳

審校 戚譯引

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科學(xué)家們首次記錄了我們的大腦如何在物理空間中導(dǎo)航和追蹤他人位置。研究人員讓癲癇患者在一間空房間里走動(dòng)，以尋找一處隱蔽的直徑 2 英尺（約合 61 厘米）的區(qū)域，同時(shí)用一種特制的無(wú)線背包監(jiān)測(cè)他們的腦電波。這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然》（Nature）期刊上。研究人員稱(chēng)，參與者的腦電波體現(xiàn)出一種獨(dú)特的模式，這意味著每位參與者的大腦都映射出了墻壁和其他邊界。有趣的是，當(dāng)參與者坐在房間的角落里看著其他人四處走動(dòng)時(shí)，他們的腦電波也會(huì)以相似的方式波動(dòng)，表明這樣的腦電波也被用來(lái)追蹤其他人的行動(dòng)。這項(xiàng)研究是美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）腦科學(xué)計(jì)劃（BRAIN Initiative）中通過(guò)新興神經(jīng)技術(shù)進(jìn)行大腦研究的項(xiàng)目之一。

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?“我們首次實(shí)現(xiàn)了直接研究人類(lèi)大腦如何在與他人共享的實(shí)際空間中導(dǎo)航?！奔又荽髮W(xué)洛杉磯分校（UCLA）大衛(wèi)·格芬醫(yī)學(xué)院（David Geffen School of Medicine）神經(jīng)外科和精神病學(xué)助理教授、研究通訊作者 Nanthia Suthana 博士說(shuō)，“我們的研究結(jié)果表明，在社會(huì)環(huán)境中，大腦可能使用同一種代碼來(lái)獲取我們和其他人的位置?！?/p>

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Suthana 博士的實(shí)驗(yàn)室研究大腦如何學(xué)習(xí)和記憶。在這項(xiàng)研究中，她的團(tuán)隊(duì)征集了一組 31-52 歲、具有抗藥性的癲癇患者，他們已經(jīng)通過(guò)手術(shù)在大腦中植入電極，來(lái)控制癲癇發(fā)作。

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電極位于大腦的記憶中心，即內(nèi)側(cè)顳葉，這一部位也被認(rèn)為用于控制導(dǎo)航，至少在嚙齒動(dòng)物中是這樣。在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)，包括三位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者在內(nèi)的科學(xué)家在一次又一次的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，顳葉中的神經(jīng)元，也被稱(chēng)為網(wǎng)格細(xì)胞（grid cells）和位置細(xì)胞（place cells），發(fā)揮著類(lèi)似全球定位系統(tǒng)的功能。此外，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，這些細(xì)胞的神經(jīng)活動(dòng)的低頻波（theta 波）有助于嚙齒動(dòng)物在迷宮中或淺水區(qū)游泳時(shí)知道自己和其它動(dòng)物的位置。

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?“有一些間接證據(jù)顯示內(nèi)側(cè)顳葉負(fù)責(zé)我們導(dǎo)航。但要更進(jìn)一步驗(yàn)證這些想法，在技術(shù)上還是很困難的?！奔又荽髮W(xué)洛杉磯分校的博士后，也是這篇文章的第一作者 Matthias Stangl 博士說(shuō)。

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Suthana 博士的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明的特制背包，為在人類(lèi)身上支持這些觀點(diǎn)，提供了迄今為止最直接的證據(jù)。這也是 NIH 腦科學(xué)計(jì)劃的研究成果之一。

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“腦科學(xué)研究中許多重要的突破都是得益于技術(shù)的進(jìn)步。這也是 NIH 腦科學(xué)計(jì)劃想做的。它刺激研究人員創(chuàng)造新的研究工具，然后用這些工具來(lái)推動(dòng)我們對(duì)大腦以及腦部疾病的認(rèn)識(shí)。”NIH 腦科學(xué)計(jì)劃主任 John Ngai 博士說(shuō)。

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這個(gè)背包的核心是一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以無(wú)線連接通過(guò)外科手術(shù)植入病人頭部的電極。最近，研究人員稱(chēng)，這個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以同時(shí)連接多臺(tái)設(shè)備，包括虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）眼鏡、眼動(dòng)追蹤器，以及心臟、皮膚和呼吸監(jiān)測(cè)設(shè)備。

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“直到目前，直接研究人類(lèi)大腦活動(dòng)唯一的方法就是要求受試者保持靜止，比如讓受試者躺在一個(gè)大型大腦掃描儀中，或是連接到一臺(tái)可以進(jìn)行電子記錄的設(shè)備上。2015 年，Suthana 博士帶著可能解決這個(gè)問(wèn)題的想法來(lái)找到我，于是我們嘗試做了這樣的一個(gè)背包?！奔又荽髮W(xué)洛杉磯分校的研究生，文章作者之一 Uros Topalovic 說(shuō)，“這個(gè)背包可以解放病人，也讓我們得以研究大腦在自然活動(dòng)時(shí)如何運(yùn)作?！?/p>

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為了研究?jī)?nèi)側(cè)顳葉在導(dǎo)航中的作用，研究人員讓參與者背上背包，并進(jìn)入一間 330 平方英尺的空房間（約合 30 平方米）。

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每面墻上排列著一排 1 到 5 的彩色標(biāo)志，并且每面墻上的標(biāo)志顏色相同。研究者通過(guò)安裝在天花板上的揚(yáng)聲器，用電腦語(yǔ)音要求病人走到某一個(gè)標(biāo)記前。一旦他們到達(dá)標(biāo)記，就繼續(xù)語(yǔ)音提示他們尋找一個(gè)隱藏在房間某處、直徑為 2 英尺的區(qū)域。與此同時(shí)，背包會(huì)記錄患者的腦電波、穿過(guò)房間的路徑以及眼球運(yùn)動(dòng)。

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起初，每個(gè)人需要幾分鐘才能找到特定的區(qū)域。但經(jīng)過(guò)幾次試驗(yàn)后，隨著他們對(duì)路線愈發(fā)熟悉，所需的時(shí)間越來(lái)越少。

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電子記錄顯示了大腦活動(dòng)的一種獨(dú)特模式。當(dāng)參與者靠近墻壁時(shí)，theta 波比他們?cè)诜块g中央徘徊時(shí)波動(dòng)的更強(qiáng)，峰值更高，谷值也更低。這種情況只發(fā)生在他們尋找某個(gè)特定的位置時(shí)。相比之下，當(dāng)參與者按照指示走向墻上的彩色標(biāo)志時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn) theta 波節(jié)律強(qiáng)度與位置之間沒(méi)有相關(guān)性。

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“由這些結(jié)果可以得出，在特定的心理狀態(tài)下，theta 波可以幫助大腦指引邊界的位置。特別是在，我們集中注意力尋找某樣?xùn)|西的時(shí)候?！盨tangl 博士。

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進(jìn)一步的分析也支持了這樣的結(jié)論，并且協(xié)助排除了其它同樣可能產(chǎn)生這一結(jié)果的可能性，例如眼睛、身體或頭部不同的運(yùn)動(dòng)等。

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奇怪的是，當(dāng)參與者看著他人尋找位置時(shí)，他們的腦電波也有類(lèi)似的模式。在這些實(shí)驗(yàn)中，參與者會(huì)坐在房間角落的椅子上，背著背包，手放在鍵盤(pán)旁邊。參與者們知道隱藏點(diǎn)的位置，當(dāng)別人到達(dá)時(shí)，他們就按下鍵盤(pán)上的按鈕。

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同樣，當(dāng)其他人靠近墻壁或地點(diǎn)時(shí)，參與者的腦電波波動(dòng)非常強(qiáng)烈，而且這種模式只在這個(gè)人在四處尋找的時(shí)候出現(xiàn)，而在按照特定方向行走時(shí)是不會(huì)出現(xiàn)的。

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“我們的研究結(jié)果支持這樣的觀點(diǎn)，即大腦可能會(huì)利用這些腦電波模式來(lái)設(shè)身處地為他人考慮?！盨uthana 博士說(shuō)，“這個(gè)結(jié)果為我們理解大腦如何導(dǎo)航打開(kāi)了一扇門(mén)，甚至可能有助于理解其他社會(huì)互動(dòng)?！?/p>

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Suthana 博士的研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃更深入地探索這些想法。此外，該團(tuán)隊(duì)還將該背包提供給其他想要研究大腦以及腦部疾病的研究人員。

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原文鏈接：

https://eurekalert.org/pub_releases/2020-12/nion-sdh122120.php?


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