心理地图:路径学习改变脑组织

15年前的一项研究表明，伦敦出租车司机的大脑中与导航相关的海马体有所扩大。但问题依然存在:是在伦敦复杂的街道系统中穿行的经历改变了他们的大脑，还是只有海马体更大的人才能成功成为出租车司机?

现在，卡耐基梅隆大学的科学家们已经确定，学习详细的导航信息会导致海马体大脑发生变化。发表在科学杂志， Tim Keller和Marcel Just表明，简短的导航训练改变了一个人的脑组织，并改善了改变后的脑组织与与导航有关的大脑其他区域的交流。这些发现在空间学习过程中发生的大脑结构和功能改变之间建立了一个关键的联系。他们还说明，这些变化与海马体和其他对导航、理解和学习很重要的区域之间的神经活动同步(或交流)有关。

“长期以来，人们一直认为海马体与空间学习有关，但直到最近，当突触在学习过程中被修改时，才有可能测量人类大脑组织的变化，”凯勒说，他是CMU心理学系和认知大脑成像中心(CCBI)的高级研究科学家。“我们的研究结果为我们提供了一个更好的理解，即是什么导致了海马体的变化，以及它们是如何与涉及学习和表征我们周围世界认知地图的区域网络之间的交流相关的。”

为了研究海马体是如何变化的，凯勒和Just招募了28名没有玩动作游戏经验的年轻人。参与者们玩了45分钟的模拟驾驶游戏。一组沿着同样的路线练习了20次。对照组驾驶相同的时间，但沿着20条不同的路线。在每个训练课程之前和之后，每个参与者的大脑都被扫描，使用弥散加权成像(DWI)来测量大脑中的水分子运动，以及功能磁共振成像(fMRI)来分析大脑活动。

研究人员发现，在同一条路线上反复练习的小组——空间学习小组——完成驾驶任务的速度比在不同路线上练习的小组提高得更多，这表明他们学习了一些关于虚拟环境空间布局的具体知识。空间学习组还提高了他们对沿途拍摄的一系列随机图片的排序能力，以及绘制代表路线的二维地图的能力。

重要的是，只有空间学习组在海马体的关键空间学习部分——左侧后齿状回——出现了大脑结构的变化。这一区域与负责空间认知的大脑区域网络中的其他皮层区域之间的活动同步性(或功能连通性)也有所增加。而且，结构变化的数量与每个人在任务中表现出的行为改善的数量直接相关。

“新的发现是，微观变化海马体与此同时，大脑结构与大脑其他部分交流的方式也发生了快速变化，”迪特里希人文社会科学学院赫布大学心理学教授、CCBI主任贾斯特说。“我们很兴奋，这些结果表明了学习导致的“重新布线”可能指的是什么。我们现在知道，至少对于这种类型空间学习这个区域会改变它的结构，以及它如何改变与大脑其他部分的通信。”

这不是卡耐基梅隆大学在大脑研究上的第一个突破。CMU是人工智能和认知心理学的发源地，50多年来一直是大脑和行为研究的领导者。大学研究人员使用功能磁共振成像(fMRI)完成了首批读心术研究，他们创造了首批认知导师，帮助开发了赢得《危险边缘》(jeopardy)比赛的沃森(Watson)，建立了一个突破性的神经计算博士项目，并在理解自闭症的生物学基础上完成了一些前沿工作。基于其在生物学、计算机科学、心理学、统计学和工程学方面的优势，CMU启动了BrainHub项目，该项目专注于研究大脑的结构和活动大脑会产生复杂的行为。

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