大脑中的地图，在帮我们理解世界？

专辑深度中的原始Lindsay神经现实|深潜

大脑是一个地方，每一寸土地都是宝贵的。因此，它像曼哈顿的高层建筑的建筑师一样建造三维建筑，并尽可能有效地利用有限的空间。与我们的祖先不同，人脑充满了沟壑，而不是一层扁平的细胞-这种有机的折纸结构允许颅腔有限的能力来塞满更多的神经元。

但是，就像在任何拥挤的城市中发生交通拥堵一样，拥挤的大脑也需要一种适合于长距离传输的运输方式，发光的白色光纤束就像高速公路一样，连接着大脑的所有区域。然而，在每个区域，神经元的分布更集中在提高局部信息传输的效率上。在同一区域中，神经元的活动表示信息，而相邻的神经元则表示相邻的事物：相邻的身体部位，视野中的相邻区域或相邻的空间位置等。因此，大脑就像地图集一样。它包含许多地图-物理，视觉世界和我们生活的空间。当大脑工作时，神经元表达的抽象信息与其物理位置之间不一定存在任何联系，但是由于表达相似信息的细胞始终需要相互通信，因此将它们放在一起可以减少通信消耗。

英国神经科学家约翰·休格斯·杰克逊（John Hughlings Jackson）：以对癫痫的早期研究而闻名，他对大脑如何控制身体的各个部位和功能有了深入的了解。

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尽管人类早就学会了在进化过程中使用这些大脑图谱，但科学家直到最近才意识到它们的存在。在19世纪下半叶，神经科学家约翰·休格斯·杰克逊（John Hughlings Jackson）首次开始怀疑大脑皮层中类似运动控制的地图结构时，整个科学界都站在了他的对立面。那时，甚至没有人提出“每个皮层区域都对应一种特定功能”的说法，更不用说这些区域的内部结构了。

由于当时神经记录技术的欠发达，杰克逊仔细观察了癫痫发作在患者体内的分布后绘制了精美的“地图”。例如，从面部开始的癫痫病将发展到手臂。从腿上开始的那些会向上扩散。每次攻击的各个部分均按特定顺序移动，中间部分永远不会被跳过或来回切换。因此，杰克逊推断，代表人体各个部位的皮质区域必须按照特定的顺序排列。最后，他的预感得到了证实：对运动皮层不同部位的电击确实会刺激人体不同部位的活动。对现代幻肢综合征的研究也使用了类似的方法：临床医生发现，由于代表面部和手部的大脑部位相邻，因此面部运动会导致截肢的幻肢疼痛。

不同区域的地图是根据其功能绘制的，因此详细程度有所不同：郊区或乡村的图标很少，但是城市的细节可能对每一步都是准确的-大脑中的地图也一样。在运动皮层中，控制某个身体部位的区域取决于部位的使用，而不是部位的大小。小而非常有用的身体部位（例如手）被分配了许多神经元来控制，这与上臂不同，上臂只负责一小部分皮层。神经科学家使用此信息创建了一个``皮质反派''：他身体部位的大小与人脑每个部位的皮质区域成比例。由于他的四肢极其瘦弱大脑地图，嘴唇和手非常粗大，他可能看起来很恐怖。这个荒谬而荒谬的图像描绘了大脑如何描绘身体，因此实际上它实际上是“地图的地图”。皮质小人还提醒我们，大脑没有义务现实地描述事物，最重要的是使用

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这个小图显示了负责人体不同部位的感觉处理的大脑各部分的相对比例。注意手和脸特别大。

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这些人体模型证明了大脑中地图的存在。但是，发现大脑中的地图不是一个例外，而是普遍现象是战争以及由新开发的战争武器造成的破坏所带来的代价。在1905年的日俄战争期间，眼科医生Tatsuji Inouye负责检查退伍军人的受伤并据此确定津贴额。他在该位置上曾见过不同类型的头部外伤，因此他有机会研究不同部位受伤的影响。在观察选择性盲法后，他得出结论，大脑中视觉空间的安排是有组织的，但可能违反直觉。视线的下半部分投射到视觉皮层的上半部分，反之亦然大脑地图，被称为精神分裂症的深沟隔开；反之亦然。我们的左右视野也可以互换-右图来自大脑左半球分析。

英国神经学家戈登·福尔摩斯（Gordon Holmes）的研究进一步支持了井上龙司的发现。

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如前所述，重要的身体部位在脑图上占据较大位置。视觉皮层的大部分负责中央视觉，并且仅处理从视网膜中央的一小点接收到的信息。第一次世界大战期间，英国神经科学家戈登·霍姆斯（Gordon Holmes）在研究了许多视力受损的士兵后证实了井上的发现-可能是因为英国高头盔的设计只是将枕头暴露在了叶子所在的大脑底部。

经过数十年的研究，我们现在可以确定视觉皮层中的每个神经元都对应于特定的视觉空间区域。因此，当许多这样的神经元聚集在一起时，“视网膜拓扑图”就形成了视觉空间图。

但是此图还包含另一个图：之所以出现，是因为神经元不仅从特定视觉区域接收刺激，而且对特定视觉信息模式的反应也不同。在视觉信息处理的早期阶段，模式可以指向不同的方向：当我们看到水平线时，某些神经元会兴奋，而某些神经元只会对垂直线做出反应。视觉皮层中具有相似优先响应方向的神经元实际上彼此相邻。如果每个神经元都沿相应的视觉方向进行染色，则视觉皮层上将出现彩虹漩涡等图案：首先识别垂直线（以绿色表示）的细胞组会倾向于对角线（以蓝色表示）。表示）单元格无缝地接壤，依此类推。各个方向的交汇处都将像风车一样，就像犹他州，科罗拉多州，新墨西哥州和亚利桑那州交界处的四个角州纪念馆一样，代表着不同皮质区域的融合。

在方向图的帮助下，大脑使用非三维信息来描述三维世界。这也是大脑经常使用的映射方法。例如，耳蜗（内耳中的小蜗牛状结构）在不同的空间位置接收不同频率的声波。高频声波刺激耳蜗的一侧的细胞，而低频声波刺激耳蜗的另一侧的细胞。不同音调的这种初始物理分离可以在听觉系统中形成“频率映射方法”。

人工神经网络在我们的大脑中具有与生物网络相同的原理，并且使用类似的方法来解决复杂的问题。

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由于地图在大脑中到处都可以用来了解外界，因此我们可以推断出地图的作用不仅可以提高连接效率。地图的无处不在确实激发了计算科学家去发现这种结构的更多计算功能。 Teuvo Kohonen（Teuvo Kohonen）于1982年提出了自组织地图的概念：一种将三个维度折叠成两个维度以更简洁地表示复杂多样信息的算法。例如，我们只能根据甜度和酸度来描述红酒的口味，而忽略其他难以区分的口味。在构建此新模型时，自组织映射算法将识别现有信息中最一致的特征。因此，大脑中的地图可能被视为更深层计算过程的可见标志-该计算过程旨在识别和解释所接收信息中最一致的特征。

但是，如果大脑接收到的信息似乎是不可折叠的，难以定位的，或者这些位置之间没有所谓的“相邻”关系，该怎么办？神经科学家在研究气味时遇到了这个问题。气味的分子组成上的微小差异可能会对我们闻到的气味产生巨大影响，例如，将红糖的良好气味转变为有臭味的黄油。那么大脑是否应该绘制气味分子或味道的形状，或两者的某种组合图？在控制味觉的大脑区域找不到答案，因为它们的分布似乎不合逻辑。利用现有的科学知识大脑地图，可以推断出我们需要从气味中提取大量信息，以至于不可能进行单个大脑映射。因此，到目前为止，尚未绘制出气味图。

即使可以还原一个简单的类似于地图的模板，也很难找到该模板。有些动物（例如猫和灵长类动物）的大脑中确实存在与特定方向相对应的上述涡流，而其他动物（例如啮齿动物）则没有-它们不会优先响应大脑中相邻的神经元。联系。乌龟甚至消除了视网膜拓扑结构映射。目前尚不清楚这些物种之间的差异以及这些差异对视觉功能产生影响的原因。

但是，我们也可以使用异常来反驳该规则：认识到某个映射丢失了，因为它应该存在。神经元的逻辑排列非常普遍，它们的存在非常容易识别，以至于我们对任何异常情况都无法接受。因此，地图隐喻已成为科学旅程中的重要指南，引导神经科学家继续探索大脑。

作者：Grace Lindsay |封面：Davide Bonazzi