Η ικανότητα του εγκεφάλου να αντιλαμβάνεται το διάστημα ως το σύμπαν διαστέλλεται

περίληψη: Ο χρόνος που δαπανάται σε ένα νέο περιβάλλον αναγκάζει τις νευρικές αναπαραστάσεις να μεγαλώνουν με εκπληκτικό τρόπο.

Πηγή: Ινστιτούτο Salik

Τα μικρά παιδιά μερικές φορές πιστεύουν ότι το φεγγάρι τα ακολουθεί ή ότι μπορούν να απλώσουν το χέρι τους και να το αγγίξουν. Φαίνεται πολύ πιο κοντά από ό,τι είναι ανάλογο με την πραγματική απόσταση. Καθώς προχωράμε στην καθημερινή μας ζωή, τείνουμε να πιστεύουμε ότι περιηγούμαστε στο χώρο με γραμμικό τρόπο.

Αλλά οι επιστήμονες του Salk ανακάλυψαν ότι ο χρόνος που αφιερώνεται στην εξερεύνηση του περιβάλλοντος προκαλεί την ανάπτυξη των νευρικών αναπαραστάσεων με εκπληκτικούς τρόπους.

Τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν στο Φυσική νευροεπιστήμη στις 29 Δεκεμβρίου 2022, έδειξε ότι οι νευρώνες στον ιππόκαμπο που είναι απαραίτητοι για τη χωρική πλοήγηση, τη μνήμη και το σχεδιασμό αντιπροσωπεύουν το χώρο με τρόπο συνεπή με τη μη γραμμική υπερβολική γεωμετρία – μια τρισδιάστατη επέκταση που αναπτύσσεται εκθετικά προς τα έξω. (Με άλλα λόγια, το σχήμα του μοιάζει με το εσωτερικό μιας επεκτεινόμενης κλεψύδρας.)

Οι ερευνητές διαπίστωσαν επίσης ότι το μέγεθος αυτού του χώρου αυξανόταν με το χρόνο που αφιερώνονταν σε μια τοποθεσία. Ο όγκος αυξάνεται με λογαριθμικό τρόπο ανάλογο με τη μέγιστη δυνατή αύξηση των πληροφοριών που επεξεργάζεται ο εγκέφαλος.

Αυτή η ανακάλυψη παρέχει πολύτιμες οδούς για την ανάλυση δεδομένων που σχετίζονται με νευρογνωστικές διαταραχές που αφορούν τη μάθηση και τη μνήμη, όπως η νόσος του Αλτσχάιμερ.

Η μελέτη μας δείχνει ότι ο εγκέφαλος δεν λειτουργεί πάντα με γραμμικό τρόπο. Αντίθετα, τα νευρωνικά δίκτυα λειτουργούν κατά μήκος μιας επεκτεινόμενης καμπύλης, η οποία μπορεί να αναλυθεί και να κατανοηθεί χρησιμοποιώντας υπερβολική γεωμετρία και θεωρία πληροφοριών», λέει η καθηγήτρια Salk Tatiana Sharpy, Edwin K. Hunter Chair, που ηγήθηκε της μελέτης.

«Ήταν συναρπαστικό να βλέπεις ότι οι νευρικές αποκρίσεις σε αυτή την περιοχή του εγκεφάλου σχημάτισαν έναν χάρτη που επεκτάθηκε βιωματικά με βάση τον χρόνο που αφιερώθηκε σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία. Το αποτέλεσμα παρέμεινε ακόμη και με μικρές αποκλίσεις στον χρόνο που το ζώο έτρεχε πιο αργά ή πιο γρήγορα. το περιβάλλον.”

Το εργαστήριο του Sharpee χρησιμοποιεί προηγμένες υπολογιστικές προσεγγίσεις για να κατανοήσει καλύτερα πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος. Πρόσφατα πρωτοστάτησαν στη χρήση της υπερβολικής γεωμετρίας για την καλύτερη κατανόηση των βιολογικών σημάτων όπως τα μόρια της οσμής, εκτός από την αντίληψη της οσμής.

Στην τρέχουσα μελέτη, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι η υπερβολική γεωμετρία κατευθύνει επίσης τις νευρικές αποκρίσεις. Οι υπερβολικοί χάρτες αισθητηριακών μορίων και συμβάντων προβάλλονται μέσω υπερβολικών νευρικών χαρτών.

Οι αναπαραστάσεις του χώρου επεκτάθηκαν δυναμικά σε συσχέτιση με το χρόνο που πέρασε ο αρουραίος εξερευνώντας κάθε περιβάλλον. Καθώς ο αρουραίος κινούνταν πιο αργά μέσα στο περιβάλλον, κέρδιζε περισσότερες πληροφορίες για τον χώρο, γεγονός που έκανε τις νευρικές αναπαραστάσεις του να αυξηθούν περισσότερο.

«Τα αποτελέσματα παρέχουν μια νέα προοπτική για το πώς οι νευρικές αναπαραστάσεις μπορούν να αλλάξουν μέσω της εμπειρίας», λέει ο Huanqiu Zhang, μεταπτυχιακός φοιτητής στο εργαστήριο του Sharpee.

«Οι μηχανικές αρχές που εντοπίστηκαν στη μελέτη μας θα μπορούσαν επίσης να καθοδηγήσουν μελλοντικές προσπάθειες για την κατανόηση της νευρικής δραστηριότητας σε διαφορετικά συστήματα του εγκεφάλου».

«Μπορεί να πιστεύετε ότι η υπερβολική γεωμετρία ισχύει μόνο σε κοσμική κλίμακα, αλλά αυτό δεν είναι αλήθεια», λέει ο Sharpey.

“Ο εγκέφαλός μας λειτουργεί πολύ πιο αργά από την ταχύτητα του φωτός, κάτι που μπορεί να είναι ένας λόγος για τον οποίο παρατηρούνται ντετερμινιστικές επιδράσεις σε αντιληπτούς χώρους και όχι σε κοσμικούς χώρους. Στη συνέχεια, θα θέλαμε να μάθουμε περισσότερα για το πώς αυτές οι δυναμικές υπερβολικές αναπαραστάσεις αναπτύσσονται στον εγκέφαλο, αλληλεπιδρούν και να επικοινωνούν μεταξύ τους.»

Άλλοι συγγραφείς περιλαμβάνουν τον Β. Ο Ντύλαν Ριτς του Πανεπιστημίου του Πρίνστον και ο Άλμπερτ Κ. Ο Lee είναι από την ερευνητική πανεπιστημιούπολη Janelia στο Ιατρικό Ινστιτούτο Howard Hughes.

Δείτε επίσης

Σχετικά με αυτήν την αναζήτηση ειδήσεων χωρικής απεικόνισης

συντάκτης: γραφείο Τύπου
Πηγή: Ινστιτούτο Salik
Επικοινωνία: Γραφείο Τύπου – Salik Institute
εικόνα: Πιστώσεις εικόνας στο Ινστιτούτο Salk

Αρχική αναζήτηση: ανοιχτή πρόσβαση.
“Οι χωρικές αναπαραστάσεις του ιππόκαμπου δείχνουν μια υπερβολική γεωμετρία που κλιμακώνεται με την εμπειρίαΑπό τους Huanqiu Zhang et al. Φυσική νευροεπιστήμη

Περίληψη

Οι χωρικές αναπαραστάσεις του ιππόκαμπου δείχνουν μια υπερβολική γεωμετρία που κλιμακώνεται με την εμπειρία

Η καθημερινή εμπειρία υποδηλώνει ότι αντιλαμβανόμαστε τις αποστάσεις γραμμικά κοντά μας. Ωστόσο, η πραγματική γεωμετρία της χωρικής αναπαράστασης στον εγκέφαλο είναι άγνωστη.

Εδώ αναφέρουμε ότι οι νευρώνες στην περιοχή CA1 του ιππόκαμπου αρουραίου που μεσολαβούν στη χωρική αντίληψη αντιπροσωπεύουν το χώρο σύμφωνα με μια μη γραμμική υπερβολική γεωμετρία. Αυτή η γεωμετρία χρησιμοποιεί μια εκθετική κλίμακα και παράγει περισσότερες πληροφορίες θέσης από μια γραμμική κλίμακα.

Βρήκαμε ότι το μέγεθος αναπαράστασης ταιριάζει με τις βέλτιστες προβλέψεις του αριθμού των νευρώνων CA1. Οι αναπαραστάσεις επεκτάθηκαν επίσης δυναμικά ανάλογα με τον λογάριθμο του χρόνου που το ζώο πέρασε στην εξερεύνηση του περιβάλλοντος, που αντιστοιχεί στο μέγιστο ποσό αμοιβαίας πληροφορίας που θα μπορούσε να ληφθεί. Οι δυναμικές αλλαγές εντόπισαν ακόμη και μικρές διαφορές λόγω αλλαγών στην ταχύτητα τρεξίματος του ζώου.

Αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν πώς τα νευρωνικά κυκλώματα επιτυγχάνουν αποτελεσματικές αναπαραστάσεις χρησιμοποιώντας δυναμική υπερβολική γεωμετρία.