Neural Dissociation of Cognitive Maps and Graphs in the Human Brain
Met behulp van fMRI en orthogonale manipulatie van ruimtelijke en ervaringsgerelateerde afstanden toont deze studie aan dat het menselijk brein cognitieve kaarten en grafen onderscheidt door de Euclidische ruimtelijke nabijheid te representeren in de intrapariëtale sulcus en de kortste-pad ervaringsgerelateerde continuïteit in de hippocampale/parahippocampale regio en scène-selectieve corticale gebieden.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
De menselijke geest heeft het opmerkelijke vermogen om informatie te organiseren, waardoor een chaotische wereld wordt omgezet in een gestructureerd mentaal landschap. Twee van de meest fundamentele manieren waarop we dit doen, zijn via kaarten en via grafen. Een cognitieve kaart is als een mentale snapshot van een plaats, waarbij objecten worden gerangschikt op basis van hun fysieke locatie in de ruimte, waarbij de afstand tussen twee objecten wordt gemeten als een rechte lijn. Een cognitieve graaf is daarentegen een mentaal web van verbindingen, dat items aan elkaar koppelt op basis van hoe we ze ervaren terwijl we van de een naar de ander bewegen, waarbij de afstand wordt gedefinieerd door het pad dat wordt afgelegd. Decennialang hebben wetenschappers gedebatteerd over hoe de hersenen deze twee verschillende vormen van kennis verwerken. Omdat onze dagelijkse ervaringen de twee vaak mengen — plaatsen die dicht bij elkaar liggen in de ruimte, liggen meestal ook dicht bij elkaar in de paden die we bewandelen — hebben onderzoekers geprobeerd te ontrafelen of de hersenen één systeem voor beide gebruiken of aparte systemen voor elk. Het begrijpen van dit onderscheid is cruciaal, omdat het onthult wat de basisarchitectuur is van het menselijk geheugen en hoe we niet alleen door fysieke ruimtes navigeren, maar ook door complexe ideeën en sociale relaties.
Een team van onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Menselijke Cognitieve en Hersenwetenschappen en de Universiteit van Trento heeft nu een duidelijk antwoord gegeven op deze vraag door een slim experiment te ontwerpen dat deze twee soorten afstand van elkaar scheidt. Ze creëerden een virtuele wereld met acht unieke monumenten die verbonden zijn door een specifiek netwerk van paden. In deze omgeving ontwierpen ze een situatie waarin twee locaties fysiek dicht bij elkaar konden liggen in een rechte lijn, maar ver uit elkaar konden liggen in termen van de reis die nodig is om van de een naar de ander te komen, omdat de verbindende paden niet bestonden. Omgekeerd konden twee locaties ver van elkaar verwijderd zijn in een rechte lijn, maar gemakkelijk bereikbaar zijn via een kort, direct pad. Deze opstelling stelde hen in staat om te testen of de hersenen de afstand in een rechte lijn en de reisafstand als afzonderlijke stukken informatie behandelen.
Zesentwintig vrijwilligers brachten een dag door met het leren van deze virtuele omgeving. Ze navigeerden erdoorheen vanuit een eerste-persoonsperspectief, waarbij ze langs de paden liepen en de monumenten bekeken, terwijl ze ook de open ruimte om hen heen konden zien. Om ervoor te zorgen dat de deelnemers zowel de lay-out van de ruimte als de verbindingen van de paden echt hadden geleerd, ondergingen zij tests waarbij ze afstanden moesten schatten en de kortste routes moesten kiezen. Zodra zij hadden aangetoond de omgeving te begrijpen, gingen ze een MRI-scanner in. In de machine kregen ze afbeeldingen van de monumenten te zien en werd hen gevraagd de locatie en de verbindingen van elk monument te herinneren. Terwijl zij dit deden, gebruikten de onderzoekers een techniek genaamd representatieve gelijkenis-analyse (representational similarity analysis) om naar de patronen van hersenactiviteit te kijken. Deze methode controleert of de reactie van de hersenen op twee verschillende monumenten meer gelijkenis vertoont wanneer die monumenten dicht bij elkaar liggen in de kaart, of wanneer ze dicht bij elkaar liggen in het padnetwerk.
De resultaten onthulden een opvallende taakverdeling in de hersenen. De onderzoekers ontdekten dat de afstanden in een rechte lijn, zoals bij een kaart, werden gerepresenteerd in een specifiek gebied aan de achterkant van de hersenen dat bekend staat als de intrapariëtale sulcus. Dit gebied staat bekend om het verwerken van ruimtelijke informatie en het visualiseren van lay-outs. In contrast hiermee werden de op reis gebaseerde, graaf-achtige afstanden gerepresenteerd in een andere set gebieden, waaronder de hippocampus en omliggende regio's die typisch actief zijn wanneer we scènes bekijken of routes navigeren. De hippocampus, een structuur diep in de hersenen die vaak geassocieerd wordt met geheugen, vertoonde activiteitspatronen die het kortste pad tussen locaties volgden, maar leek de afstand in een rechte lijn niet te volgen. Dit suggereert dat de hippocampus gespecialiseerd is in het organiseren van ervaringen op basis van hoe we ons door hen heen bewegen, in plaats van waar dingen zich bevinden in een statische ruimte.
De studie keek ook naar andere delen van de hersenen die betrokken zijn bij het herkennen van scènes, zoals de parahippocampale plaatsgebieden. Deze gebieden, die ons normaal helpen bij het herkennen van de lay-out van een kamer of een landschap, vertoonden ook activiteitspatronen die gekoppeld waren aan de op pad gebaseerde verbindingen tussen locaties. Deze bevinding suggereert dat het systeem van de hersenen voor het verwerken van scènes nauw samenwerkt met het geheugensysteem om een graaf van onze ervaringen op te bouwen. Ondertussen bleef het gebied dat verantwoordelijk is voor de kaart-achtige representatie onderscheidend, en vertoonde geen tekenen van het volgen van de padverbindingen. De onderzoekers waren zorgvuldig om de mogelijkheid uit te sluiten dat deze resultaten simpelweg te wijten waren aan de vormen van de monumenten of andere visuele kenmerken, waarmee werd bevestigd dat de hersenen inderdaad de abstracte concepten van ruimtelijke afstand en reisafstand apart verwerken.
Deze bevindingen bieden een nieuw perspectief op een langlopend debat in de neurowetenschap over de functie van de hippocampus. Terwijl eerdere theorieën suggereerden dat de hippocampus fungeert als een universele kaart van de ruimte, suggereert deze studie dat het nauwkeuriger kan worden beschreven als een systeem voor het organiseren van de sequentie van onze ervaringen. De hersenen lijken twee parallelle manieren van weten te onderhouden: een kaart in de pariëtale cortex die de lay-out van de wereld als geheel vasthoudt, en een graaf in de hippocampus en de gebieden voor scèneverwerking die de reis en de verbindingen tussen gebeurtenissen vastlegt. Deze scheiding stelt ons in staat om onze omgeving te begrijpen zowel als een vaste plek als een reeks verhalen die we hebben beleefd, wat een rijkere en flexibelere basis biedt voor het menselijk denken en geheugen.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.