Neural Dissociation of Cognitive Maps and Graphs in the Human Brain
本研究利用功能性磁共振成像（fMRI）以及对空间距离与经验距离的正交操纵，证明了人类大脑通过在顶内沟表征欧几里得空间邻近性，以及在海马/旁海马区域和场景选择性皮层区域表征最短路径经验连续性，从而将认知地图与图谱进行分离。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
人类的心智拥有一种非凡的能力，能够组织信息，将混乱的世界转化为结构化的精神景观。我们进行这种组织最基本的方式有两种：通过地图和通过图谱。认知地图就像是某个地方的精神快照，根据物体在空间中的物理位置来排列，其中两个物体之间的距离是以直线测量的。相比之下，认知图谱则是精神层面的连接网络，根据我们从一个事物移动到另一个事物的经历来建立联系，其中距离是由到达那里所经过的路径定义的。几十年来，科学家们一直在争论大脑如何处理这两种截然不同的知识形式。因为在日常经验中，这两者往往是融合在一起的——在空间上靠近的地方，通常在行进路径上也相对接近——研究人员一直难以厘清大脑是使用单一系统来处理两者，还是为每种形式都使用了独立的系统。理解这一区别至关重要，因为它揭示了人类记忆的基本架构，以及我们不仅如何导航物理空间，还如何导航复杂的思想和社会关系。
由马克斯·普朗克人类认知与脑科学研究所和特伦托大学的一组研究人员，通过设计一个巧妙的实验分离了这两类距离，从而为这个问题提供了一个清晰的答案。他们创建了一个虚拟世界，其中包含八个独特的纪念碑，并由特定的路径网络连接。在这个环境中，他们设计了一种情况，使得两个地点在直线距离上可能非常接近，但在实际旅行所需的距离上却很远，因为它们之间不存在连接路径。相反，两个地点在直线距离上可能很远，但通过一条简短、直接的路径可以轻松到达。这种设置使他们能够测试大脑是将直线距离和旅行距离视为两部分独立的信息，还是将其视为统一的信息。
61名志愿者花了一天时间学习这个虚拟环境。他们以第一人称视角在其中导航，沿着路径行走并观察纪念碑，同时也能看到周围的开阔空间。为了确保他们真正掌握了空间的布局和路径的连接，参与者进行了测试，包括估算距离和选择最短路线。一旦他们证明自己理解了该环境，便进入了核磁共默振共振（MRI）扫描仪。在机器内部，他们被展示了纪念碑的图像，并被要求回忆每个纪念碑的位置和连接关系。在他们进行这些操作时，研究人员使用了一种称为“表征相似性分析”的技术来观察大脑活动的模式。这种方法会检查大脑对两个不同纪念碑的反应，是在这两个纪念碑于地图上距离较近时更具相似性，还是在它们于路径网络中距离较近时更具相似性。
结果揭示了大脑中一种显著的分工。研究人员发现，直线式的、类似地图的距离是在大脑后部被称为顶内沟（intraparietal sulcus）的特定区域中表示的。该区域以处理空间信息和可视化布局而闻名。相比之下，基于旅行的、类似图谱的距离则由另一组区域表示，包括海马体（hippocampus）及周围通常在观看场景或导航路径时活跃的区域。海马体是位于大脑深处的一个结构，通常与记忆相关，它显示出的活动模式追踪了地点之间的最短路径，但似乎并不追踪直线距离。这表明海马体专门用于根据我们移动的方式来组织经验，而不是根据事物在静态空间中的位置。
研究还观察了参与识别场景的其他大脑部分，例如旁海马区（parahippocampal place area）。这些区域通常帮助我们识别房间或景观的布局，也显示出了与地点间路径连接相关的活动模式。这一发现表明，大脑的场景处理系统与记忆系统紧密协作，共同构建出我们经验的图谱。与此同时，负责地图式表示的区域保持独立，没有表现出追踪路径连接的迹象。研究人员仔细排除了这些结果仅仅是由纪念碑的形状或其他视觉特征引起的可能性，证实了大脑确实在分别处理抽象的空间距离和旅行距离的概念。
这些发现为神经科学领域关于海马体功能的长期争论提供了新的视角。虽然早期的理论认为海马体充当通用的空间地图，但这项研究表明，将其描述为“组织我们经验序列的系统”更为准确。大脑似乎维持着两种平行的认知方式：一个位于顶皮层的地图，保存着整体世界的布局；以及一个位于海马体和场景处理区域的图谱，记录着旅程以及事件之间的连接。这种分离使我们既能将环境理解为一个固定的场所，也能将其理解为一系列我们经历过的故事，从而为人类的思想和记忆提供了更丰富、更灵活的基础。
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