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加州大学教授用VR探索人类空间感知原理

2018-09-07 16:40 作者: 转载出处:87870 推荐人:一飞

  没有人会在意我们的大脑是如何记忆空间位置的,比如从沙发走到冰箱,这仿佛就是我们天生具备的技能。而实际上,在这一过程中,大脑需要处理大量的数据,其运算速度比任何超级计算机都要快。加州大学的三位科学家以此为研究方向,尝试利用VR来探索人类是如何感知空间位置的。

  当我们在房屋中移动时,会根据感官输入信息以快速构建心理地图。我们可能对大脑的这一功能不以为然。然而,空间记忆能力退化是引起包括癫痫和阿尔默茨海默症在内的几种神经疾病中恶化的首要因素。

  对空间的普遍认知

  加州大学洛杉矶分校神经物理学家Mayank Mehta致力于研究大脑,特别是关于海马体(一种细胞)如何学习增强我们对空间和时间的认知。海马体,又名海马回、海马区、大脑海马,海马体位于大脑丘脑和内侧颞叶之间,属于边缘系统的一部分,主要负责长时记忆的生成和存储转换等功能。

  Mehta表示:“海马体是我们大脑的一个特殊部分,主要学习和感知空间和时间等抽象概念。海马体损害将造成许多神经系统疾病,如抑郁症、癫痫症和阿尔茨海默氏症。”

  Mehta指出,如果科学家们能够更好地了解海马体如何感知空间和时间,就可以找出更好的方式地诊断和治疗衰弱性神经系统疾病。这也是为什么Mehta以及他实验室的同开展这项研究,并使用VR技术,以确定神经元如何制作空间心理图并记忆相关信息。

  正如Mehta所指出的那样,所有动物(包括人类)都“100%认同抽象空间和时间的概念。”并且所有动物都以相同的方式计算它们在空间中的位置。

  这种对空间的普遍认知是可能存在的,这是因为一组名为“位置细胞”的海马神经元。当人类及动物在丛林、起居室或迷宫中航行时,海马神经元将以有序的方式发挥作用,自动提供空间信息。

  在现实世界中如何感知空间位置

  2014年,三位科学家因发现位置细胞而获得诺了贝尔生理学和医学奖。然而,即使在它们被发现之后,科学家也不确定这些细胞是如何起作用的,比如它们如何将光、声音、气味转化为对空间和时间的普遍感知?

  为了解决这个问题,Meht决定测试构成空间认知的不同感官刺激。这在现实世界中是不可能的,但却可以在虚拟世界中轻松完成。

  为了在控制感官提示的同时测试空间记忆,过去数十年来,科学家们使用了“水迷宫”的测试方法:将啮齿动物放入水池中,然后测试它们游泳到逃生地点的能力。理由是浸没在水中会阻止干扰感觉输入,如气味或声音。但是“水迷宫”不适合诊断可能患有阿尔茨海默氏症症状的患者,而虚拟迷宫却没有那么多限制。

  如何利用VR探索动物及人类感知空间的能力

  在一项实验中,研究人员分别比较了小白鼠在现实世界中和虚拟世界中寻找隐藏食物的能力,小白鼠可以使用声音和气味进行导航,从而在虚拟迷宫中定位食物。

  首先,让我们介绍下研究团队。成员包括加州大学洛杉矶分校神经科学、心理学、计算机科学、工程和物理学等众多跨学科学生在内。实验还须重新构建一台虚拟设备——球形跑步机,并训练小白鼠适应虚拟环境。

  调查结果令人惊讶。虚拟迷宫中的小白鼠像真正的迷宫中的小白鼠一样巧妙地发现了隐藏的食物。事实证明,小白鼠看得很清楚。在虚拟世界中,小白鼠可以使用视觉线索直接驱动海马体,这表明他们能够感知虚拟空间。

  尽管如此,海马体的神经活动在虚拟世界中是非常不正常的。海马体中有超过一半的神经元在VR中关闭,剩下的神经元以无序方式激发,Mehta称这种模式与小白鼠在导航真实迷宫时的细胞活动“惊人地不同”。

  Mehta表示,这些研究表明大脑需要来自多个感官因素的输入来构建空间图。如果视觉上显示你正在空间中移动,但声音和气味则另有迹象,就像在VR中一样,神经活动变得非常奇怪。鉴于啮齿动物和人类处理空间时的相似性,人类大脑也会出现类似的结果。

  “VR打破了常规物理定律,”Mehta说。“VR消除了生物处理不同刺激之间的一致关系。这导致了大脑中的异常活动模式。”

  让我们意识到大难如何感知空间只是Mehta研究的一个起点。

  “我们的大脑,包括海马体,进化出了感知时间和空间的能力。如果我们能够理解其感知空间的原理,我们或许可以举一反三,以此回答人类如何学习其他复杂行为,从而诊断和治疗学习和记忆障碍。”


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标签: VR探索    
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