위치에 대해 생각하는 것만으로도 뇌의 정신 지도가 활성화됩니다.

직장이나 식료품점으로 가는 일반적인 경로를 여행할 때 뇌는 해마와 내후각 피질에 저장된 인지 지도를 사용합니다. 이 지도에는 귀하가 이동한 경로와 이전에 가본 위치에 대한 정보가 저장되어 있으므로 해당 위치에 갈 때마다 길을 찾을 수 있습니다.

MIT의 새로운 연구에 따르면 신체적 움직임이나 감각 입력 없이 일련의 경험에 대해서만 생각할 때도 이러한 정신 지도가 생성되고 활성화된다는 사실이 밝혀졌습니다. 동물 연구에서 연구자들은 내후각 피질에 동물이 조이스틱을 사용하여 일련의 이미지를 탐색하는 동안 경험하는 것에 대한 인지 지도가 있다는 것을 발견했습니다. 이러한 인지 지도는 이미지가 보이지 않는 경우에도 이러한 시퀀스에 대해 생각할 때 활성화됩니다.

이는 내후각 피질의 인지 지도 활성화를 통해 비공간 영역에서 정신적 시뮬레이션과 상상의 세포 기반을 보여주는 최초의 연구입니다.

부교수인 Mehrdad Jazayeri는 "이러한 인지 지도는 감각 입력이나 운동 출력 없이 정신 탐색을 수행하기 위해 채용되고 있습니다. 우리는 동물이 이러한 경험을 정신적으로 겪을 때 나타나는 이 지도의 서명을 볼 수 있습니다."라고 말합니다. 뇌 및 인지 과학 분야의 박사이자 MIT McGovern 뇌 연구 연구소 회원이자 이번 연구의 수석 저자입니다.

McGovern Institute의 연구원인 Sujaya Neupane은 이 논문의 주 저자입니다. 자연. MIT 뇌 및 인지 과학 교수이자 MIT McGovern 뇌 연구 연구소 회원이자 K. Lisa Yang 통합 전산 신경 과학 센터 소장인 Ila Fiete도 이 논문의 저자입니다.

정신지도

동물 모델과 인간을 대상으로 한 많은 연구를 통해 물리적 위치에 대한 표현이 작은 해마 모양의 구조인 해마와 인근 내후각 피질에 저장된다는 사실이 밝혀졌습니다. 이러한 표상은 동물이 이전에 있었던 공간을 이동할 때마다, 공간을 횡단하기 직전, 잠을 자고 있을 때 활성화됩니다.

"대부분의 이전 연구는 동물이 공간을 통해 물리적으로 이동할 때 이러한 영역이 구조와 환경의 세부 사항을 어떻게 반영하는지에 중점을 두었습니다."라고 Jazayeri는 말합니다. "동물이 방에서 움직일 때 감각 경험은 해마와 내후각 피질의 뉴런 활동에 의해 훌륭하게 인코딩됩니다."

새로운 연구에서 Jazayeri와 그의 동료들은 이러한 인지 지도가 구축되어 순전히 정신적인 탐색이나 비공간 영역을 통한 움직임의 상상 중에도 사용되는지를 탐구하고 싶었습니다.

그 가능성을 탐구하기 위해 연구자들은 조이스틱을 사용하여 규칙적인 시간 간격으로 배치된 일련의 이미지("랜드마크")를 통해 경로를 추적하도록 동물을 훈련시켰습니다. 훈련 중에 동물에게는 이미지 쌍의 하위 집합만 표시되었지만 모든 쌍이 표시되지는 않았습니다. 동물들이 훈련 쌍을 탐색하는 방법을 배운 후, 연구자들은 동물이 이전에 본 적이 없는 새로운 쌍을 다룰 수 있는지 테스트했습니다.

한 가지 가능성은 동물이 시퀀스의 인지 지도를 학습하지 않고 대신 암기 전략을 사용하여 과제를 해결한다는 것입니다. 그렇다면 그들은 새로운 쌍과 어려움을 겪을 것으로 예상됩니다. 대신, 동물이 인지 지도에 의존한다면, 그들은 자신의 지식을 새로운 쌍에 일반화할 수 있어야 합니다.

"결과는 명백했습니다."라고 Jazayeri는 말했습니다. "동물들은 처음 테스트를 받은 순간부터 새로운 이미지 쌍 사이를 정신적으로 탐색할 수 있었습니다. 이 발견은 인지 지도의 존재에 대한 강력한 행동 증거를 제공했습니다. 하지만 뇌는 어떻게 그러한 지도를 구축합니까?"

이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 동물이 이 작업을 수행하는 동안 내후각 피질의 단일 뉴런을 기록했습니다. 신경 반응에는 놀라운 특징이 있습니다. 동물이 조이스틱을 사용하여 두 랜드마크 사이를 탐색할 때 뉴런은 중간 랜드마크의 정신적 표현과 관련된 독특한 활동 범프를 특징으로 했습니다.

"뇌는 중간 이미지가 동물의 눈을 지나갈 것으로 예상되는 시간에 이러한 활동의 ​​충돌을 겪습니다. 그들은 결코 그런 일을 하지 않았습니다."라고 Jazayeri는 말합니다. "그리고 이러한 충돌 사이의 타이밍은 결정적으로 동물이 각각의 충돌에 도달할 것으로 예상했던 타이밍과 정확히 일치했으며 이 경우에는 0.65초였습니다."

연구자들은 또한 정신 시뮬레이션의 속도가 동물의 작업 성과와 관련이 있음을 보여주었습니다. 작업을 완료하는 데 조금 늦거나 일찍 완료되면 두뇌 활동에 상응하는 타이밍 변화가 나타났습니다. 연구자들은 또한 내후각 피질의 정신적 표현이 이미지의 특정 시각적 특징을 인코딩하는 것이 아니라 랜드마크의 순서 배열을 인코딩한다는 증거를 발견했습니다.

학습 모델

이러한 인지 지도가 어떻게 작동하는지 더 자세히 조사하기 위해 연구자들은 발견한 뇌 활동을 모방하고 그것이 어떻게 생성될 수 있는지 보여주는 계산 모델을 구축했습니다. 그들은 원래 감각 입력을 기반으로 동물이 움직일 때 내후각 피질이 동물의 위치를 ​​추적하는 방법을 모델링하기 위해 개발된 연속 유인자 모델로 알려진 유형의 모델을 사용했습니다.

연구원들은 감각 입력에 의해 생성된 활동 패턴을 학습할 수 있는 구성 요소를 추가하여 모델을 맞춤화했습니다. 그런 다음 이 모델은 나중에 감각 입력이 없을 때 해당 패턴을 사용하여 해당 경험을 재구성하는 방법을 학습할 수 있었습니다.

"우리가 추가해야 할 핵심 요소는 이 시스템이 감각 입력과 통신하여 양방향으로 학습할 수 있는 능력을 갖추고 있다는 것입니다. 모델이 겪는 연관 학습을 통해 실제로 그러한 감각 경험을 재현할 것입니다."라고 Jazayeri는 말합니다.

이제 연구자들은 랜드마크의 간격이 균등하지 않거나 링 모양으로 배열되어 있는 경우 뇌에서 어떤 일이 일어나는지 조사할 계획입니다. 그들은 또한 동물이 탐색 작업을 수행하는 방법을 처음 배울 때 해마와 내후각 피질의 뇌 활동을 기록하기를 희망합니다.

Jazayeri는 "구조에 대한 기억이 마음 속에서 결정화되고 그것이 어떻게 신경 활동으로 이어지는지 보는 것은 학습이 어떻게 일어나는지 묻는 정말 귀중한 방법입니다"라고 말했습니다.

이 연구는 캐나다 자연 과학 및 공학 연구 위원회, 퀘벡 연구 기금, 국립 보건원, Paul and Lilah Newton Brain Science Award의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/06/240612113244.htm