思考的空间:观察墙壁识别的大脑区域

为了在游戏世界中移动，你需要对周围环境有一种感觉，特别是那些限制你移动的限制因素:墙壁、天花板和其他障碍，它们定义了你周围可航行空间的几何形状。现在，一组神经科学家已经确定了人类大脑中专门用于感知这种几何形状的区域。这一大脑区域以闪电般的速度对场景的空间限制进行编码，很可能有助于我们对周围环境的即时感知;为我们在太空中定位，这样我们就能避免撞到东西，弄清楚我们在哪里，在我们的环境中安全地导航。

这项研究今天发表在神经元为理解我们的大脑所做的复杂计算提供了基础。这项研究由哥伦比亚大学(Columbia University)莫蒂默·b·祖克曼(Mortimer B. Zuckerman)心脑行为研究所(Mind - Brain Behavior Institute)和芬兰阿尔托大学(Aalto University)的科学家领导，与旨在模仿人类视觉能力的人工智能技术的发展也相关大脑。

“视觉给我们一种几乎即时的感觉，我们在空间中，特别是几何表面-地面，墙壁-限制我们的运动。它让人感觉毫不费力，但它需要多种协调活动大脑区域Nikolaus Kriegeskorte博士说，他是哥伦比亚祖克曼研究所的首席研究员，也是这篇论文的资深作者。“神经元是如何协同工作，让我们对周围环境产生这种感觉的，一直是个谜。通过这项研究，我们离解决这个谜题又近了一步。”

为了弄清楚大脑是如何感知周围环境的几何形状的，研究小组要求志愿者看不同的三维场景的图像。一个图像可能描绘一个典型的房间，有三面墙，天花板和地板。然后研究人员系统地改变了场景:移开墙壁，例如天花板。同时，他们监测了参与者的大脑的活动通过结合芬兰阿尔托神经成像设施的两种尖端大脑成像技术。

论文第一作者、阿尔托大学(Aalto University)神经科学和生物医学工程讲师琳达·亨里克森(Linda Henriksson)博士说:“通过对每个参与者重复这样做，我们有系统地改变图像，我们可以拼凑出他们的大脑如何对每个场景进行编码。”

我们的视觉系统被组织成一个层次的阶段。第一阶段实际上在大脑外，在视网膜中，它可以检测简单的视觉特征。大脑随后的阶段有能力检测更复杂的形状。通过处理多个阶段的视觉信号，以及各阶段之间的重复交流，大脑形成了一个完整的世界图景，包括所有的颜色、形状和纹理。

在大脑皮层中，视觉信号首先在一个叫做初级视觉皮层的区域被分析。然后它们被传递到几个更高层次的皮质区域进行进一步分析。枕部区域(OPA)是皮层处理的中级阶段，在参与者的脑部扫描中被证明是特别有趣的。

“以前的研究表明，OPA神经元编码场景，而不是孤立的物体，”克里格斯科特博士说。他还是哥伦比亚大学的心理学和神经科学教授、认知成像主任。“但我们还不知道这个区域的数百万神经元对场景的哪一方面进行了编码。”

在分析了参与者的脑部扫描后，dr。Kriegeskorte和Henriksson发现OPA活动反映了场景的几何形状。OPA活动模式反映了每个场景组件的存在或缺失——墙壁、地板和天花板——传达出场景整体几何结构的详细画面。然而，OPA活动模式并不依赖于组分的外观;墙壁、地板和天花板的纹理表明该区域忽略了表面的外观，从而只关注表面的几何形状。这一大脑区域似乎能够以极快的速度完成感知房间布局所需的所有计算:仅在100毫秒内。

“我们的大脑感知周围环境的基本几何形状的速度，表明了快速获得这些信息的重要性，”亨里克森博士说。“这是了解你是在室内还是室外的关键，或者你的导航选择是什么。”

通过联合使用两种互补的成像技术:功能磁共振成像(fMRI)和脑磁图(MEG)，本研究获得的见解是可能的。功能磁共振成像测量局部血氧水平的变化，反映局部神经元活动。它可以在几毫米的分辨率下显示详细的空间活动模式，但它在时间上不是非常精确，因为每个功能磁共振成像测量反映了5到8秒内的平均活动。相比之下，脑磁图测量的是大脑产生的磁场。它可以以毫秒的时间精度跟踪活动，但不能给出空间细节的图片。

在阿尔托大学(Aalto University)收集成像数据的亨里克森博士(Dr. Henriksson)说，“当我们将这两种技术结合起来时，我们可以同时解决活动发生的地点和出现的速度。”

接下来，研究小组计划结合虚拟现实技术，为参与者创造更真实的3d环境。他们还计划建立神经网络模型来模拟大脑感知环境的能力。

“我们想把这些东西放在一起，建立一个更像我们大脑的计算机视觉系统，这个系统有专门的机制，就像我们在人类大脑中观察到的那样，可以快速感知环境的几何形状，”克里格斯科特博士说。

本文的题目是“人类OPA中场景布局的快速不变编码”。

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