《Nature Neuroscience》感觉“大脑快炸了”的原因

　　索尔克的科学家们发现，花时间探索一个环境会导致神经表征以惊人的方式增长。这一发现为分析涉及学习和记忆的神经认知障碍(如阿尔茨海默病)的数据提供了有价值的方法。

　　

   

   

随着时间的推移，新的体验被吸收到神经表征中，这里用双曲面沙漏来表示。    

年幼的孩子有时相信月亮在跟着他们，或者他们可以伸手触摸它。它看起来比实际距离要近得多。当我们在日常生活中移动时，我们倾向于认为我们以线性的方式在空间中导航。但索尔克的科学家们发现，花时间探索一个环境会导致神经表征以令人惊讶的方式增长。

该研究结果发表在《Nature Neuroscience》。研究表明，海马体中对空间导航、记忆和规划至关重要的神经元以一种符合非线性双曲几何的方式表示空间——一种向外呈指数级增长的三维空间。(换句话说，它的形状就像一个不断膨胀的沙漏的内部。)研究人员还发现，空间的大小随着在一个地方停留的时间而增加。它的大小以对数的方式增加，与大脑处理的信息的最大可能增加相匹配。

这一发现为分析涉及学习和记忆的神经认知障碍(如阿尔茨海默病)的数据提供了有价值的方法。

“我们的研究表明，大脑并不总是以线性方式活动。相反，神经网络沿着一条扩展的曲线运行，可以使用双曲几何和信息论来分析和理解，”Tatyana Sharpee教授说。“令人兴奋的是，大脑这一区域的神经反应形成了一张地图，根据在给定地方投入的时间而扩大。当动物在环境中跑得更慢或更快时，这种影响甚至适用于时间上的微小偏差。”

Sharpee的实验室使用先进的计算方法来更好地了解大脑是如何工作的。他们最近率先使用双曲几何来更好地理解像气味分子这样的生物信号，以及对气味的感知。

在目前的研究中，科学家们发现双曲几何也能指导神经反应。感觉分子和事件的双曲图是用双曲神经图来感知的。空间表示随着大鼠探索每个环境的时间而动态扩展。而且，当一只大鼠在一个环境中移动得更慢时，它获得了更多关于空间的信息，这导致神经表征增长得更多。

Sharpee实验室的研究生Huanqiu Zhang说:“这些发现为神经表征如何随着经验而改变提供了一个新的视角。我们研究中确定的几何原理也可以指导未来理解各种大脑系统的神经活动。”

“你可能会认为双曲几何只适用于宇宙尺度，但事实并非如此，”Sharpee说。“我们大脑的工作速度比光速慢得多，这可能是双曲效应在可掌握空间而不是天文空间中观察到的原因。接下来，我们想了解更多关于大脑中这些动态双曲线表征是如何生长、相互作用和相互交流的。”

Hippocampal spatial representations exhibit a hyperbolic geometry that expands with experience