Все виртуальные музеи в исследовании визуально отличались друг от друга, но имели одинаковую планировку и геометрию.
В мозгу есть сложная система, позволяющая отслеживать, в каком направлении вы движетесь; в противном случае было бы невозможно вспомнить, как добраться из одного места в другое. Исследователи из Пенсильванского университета показали, как мозг закрепляет этот ментальный компас.
Их выводы обеспечивают неврологическую основу того, что психологи давно наблюдали в отношении навигационного поведения: люди используют геометрические отношения, чтобы ориентироваться.
Исследование, связанное с работой, получившей в этом году Нобелевскую премию по физиологии и медицине, добавляет новые измерения в наше понимание пространственной памяти и того, как она помогает нам создавать воспоминания о событиях.
Исследование проводил Рассел Эпштейн, профессор психологии Школы искусств Пенна & Наук, и Стивен Марчетт, научный сотрудник лаборатории Эпштейна. В исследовании также участвовали сотрудники лаборатории Линдси Васс, аспирантка, и Джек Райан, специалист-исследователь.
Он был опубликован в журнале Nature Neuroscience.
"Представьте, что вы выходите из остановки метро," сказал Маршетт. "Вы точно знаете, где находитесь в мире, но у вас все еще есть опыт осматриваться, чтобы понять, в какую сторону вы смотрите. Вы можете подумать: “ Я смотрю на мэрию, значит, я смотрю на восток ”.’Требуется секунда, прежде чем он щелкнет.
"Нас интересует, как люди могут изменить свое чувство направления в мире и на какие сигналы они полагаются в окружающей среде, чтобы сделать это."
Чтобы проверить, как мозг делает эти выводы, исследователи разработали эксперимент, в котором они познакомили участников с виртуальной средой, набором из четырех музеев в парке, и попросили участников запомнить расположение повседневных предметов, выставленных в этих музеях. Затем они сканировали свой мозг, прося их вспомнить пространственные отношения между этими объектами, например, был ли велосипед слева или справа от торта.
При сканировании, используя методику измерения кровотока в различных областях мозга, известную как фМРТ, исследователи сосредоточились на области, известной как ретроспленальный комплекс. Люди, получившие серьезные травмы в этой области, способны распознавать ориентиры в своей среде, но не могут вспомнить, как переходить от одного к другому, предполагая, что это играет определенную роль в типе памяти, используемой при навигации и ориентации.
"Ретроспленальный комплекс очень мало изучен," Эпштейн сказал. "Хотя у нас нет возможности войти и посмотреть на отдельные нейроны, как это сделали О’Киф и Мозеры в своей работе, получившей Нобелевскую премию, одна из приятных особенностей фМРТ заключается в том, что нам не нужно было заранее решать из каких областей мозга записывать."
Есть три способа, которыми ретроспленальный комплекс может кодировать этот тип информации и служить частью ментального компаса.
Один из способов – это "Глобальный" система, в которой мозг отслеживает абсолютное направление, в котором он смотрит, независимо от визуальных сигналов в окружающей среде. Фактически, есть веские доказательства того, что такая система существует в мозге, но команда Пенна сомневалась, что ретроспленальный комплекс был ее центральным компонентом.
An "идиосинкразический" система, в которой мозг отслеживает направление для каждой среды независимо, была еще одной возможностью. В такой системе запоминание того, что ваш стол находится на северной стене вашего офиса, потребовало бы вызова самой комнаты и выбора соответствующих функций.
Наконец, они сочли "геометрический" система, основанная на более общих отношениях между функциями в среде. Здесь, вспоминая, что ваш стол находится на северной стене вашего офиса, нужно вспомнить отношения между столом и дверью – скажем, стол находится слева, когда я вхожу в комнату – без необходимости специально вспоминать саму комнату.
Архитектура виртуального парка команды имела решающее значение для возможности различать, какой из этих трех типов систем участники использовали для ориентации в отношении объектов.
Четыре музея парка были расположены в виде клеверного листа вокруг центральной площади, к которой можно было подойти только с юга. У каждого музея была единственная дверь, каждая из которых выходила в центр площади. Каждый музей был визуально отличным, но все они были идентичны по планировке: одна комната, содержащая восемь уникальных предметов, по два на каждой стене. Предметы располагались в нишах, так что участники могли видеть их только прямо перед собой.
"Мы спроектировали его таким образом, чтобы участникам было ясно, что задняя стена каждого музея была направлена в одну из сторон света," сказал Маршетт. "А разместив предметы в нишах, мы обеспечили, чтобы они могли видеть их только тогда, когда смотрели строго на север, юг, восток или запад."
После того, как участникам было разрешено свободно перемещаться по виртуальной среде, участники были протестированы на предмет местоположения объектов. Их попросили вернуться в лабораторию через день или два, где им дали возможность освежить свои воспоминания о расположении объектов перед входом в МРТ-сканер. Там им показали слова, обозначающие пару предметов, которые были найдены в одном из музеев, и спросили, находится ли второй объект слева или справа от первого.
Общий дизайн парка означал, что задняя стена каждого музея была направлена в разном направлении света.
Исследователи использовали половину ответов участника для калибровки измерения ретроспленального комплекса этого участника, а затем сравнили паттерны активации, которые они увидели, с ответами другой половины участника.
"Если ретроспленальный комплекс поддерживал глобальную систему," Маршетт сказала, "тогда не имеет значения, воображают ли люди лицом к задней стене или к левой стене; если вы смотрите на север в одном музее и на север в другом, шаблоны активации должны быть одинаковыми. Как мы и ожидали, этого не происходит.
"Точно так же для идиосинкразической системы мы ожидаем, что запоминание задних стен двух разных музеев приведет к разным образцам, поскольку вы запомните саму комнату. Этого тоже не бывает."
Вместо этого шаблоны выглядят одинаково, когда участники представляли, что смотрят на объекты, которые имеют одинаковые геометрические отношения с окружающей комнатой, независимо от "правда" направление, в которое смотрел участник. Например, запоминание предметов на задних стенах двух разных музеев приводит к схожим моделям активации, даже если задняя стена находится на севере в одном музее и на востоке в другом.
"Мы даже можем реконструировать место, которое запомнил участник, на основе этих сходств," Эпштейн сказал. "Как только мы узнаем, что мы ищем, на основе первой половины ответов участника, мы можем оценить местоположение данного представления целиком на основе данных фМРТ, и они достаточно близки к тому месту, где на самом деле находятся представления. Это довольно крутой результат. Это как если бы мы могли прочитать «поэтажный план» музеев в мозгу каждого человека. А поскольку музеи идентичны геометрически, ретроспленальная кора головного мозга использует один и тот же “ план этажа ” для всех из них"
Исследование команды дает более полную картину того, что происходит в мозгу, когда люди перемещаются из одного места в другое.
"Психологи давно предположили, что геометрия важна для такого рода памяти," Эпштейн сказал, "но это начинает показывать неврологическую основу этого. Мы надеемся, что это откроет дверь для более глубокого изучения этой области мозга."
Исследование было поддержано Национальным институтом здравоохранения и Национальным научным фондом.