神经科学家正在开发绘制大脑系统图谱的方法，这些系统使我们能够识别和探索周围世界。
埃默里大学的一项神经科学研究反驳了这一假设。通过结合脑部扫描和研究人员称之为“迷你小镇”的虚拟环境的实验，他们表明五岁儿童已经具备支持基于地图导航的大脑系统。
《美国国家科学院院刊》发表了这一发现，这是首个表明这种认知能力在如此年幼的儿童中已经存在的神经学证据。
“虽然大规模导航能力在童年时期确实会持续发展，但我们的发现表明，其基础神经系统在很早的阶段就已建立，”该研究的第一作者、埃默里大学心理学系博士后研究员Yaelan Jung说道。
“基于地图的导航并非需要十年或更长时间，而是在一半的时间内就已经开始运作，”该研究的资深作者、心理学副教授Daniel Dilks补充道。“五岁儿童拥有能够让他们在微型虚拟城镇中认路的大脑系统。他们不仅知道山区的冰淇淋店与湖区的冰淇淋店不同，还知道如何通过街道导航到达每一家店。”
绘制视觉大脑图谱
Dilks处于识别视觉皮层中与面部、地点和物体处理相关的特定功能（即我们如何识别世界并在其中活动）的前沿。他还在开创研究这些功能从婴儿期到成年期发展时间线的方法。
“神经科学中的两个基本问题，”他解释道，“是知识在大脑中如何组织以及知识的起源。换句话说，你天生具备哪些知识，以及知识如何随着成长而发展？”
功能性磁共振成像（fMRI）技术为了解这些问题提供了一扇窗口。这种无害、非侵入性的技术利用一个巨大的磁体扫描大脑并记录血液中的磁特性。它测量流向大脑区域的血流量增加，表明该区域更为活跃。
在过去十年的成人研究中，Dilks实验室已经证明大脑中的三个场景选择区域执行独立、不重叠的任务。海马旁位置区（PPA）使我们能够识别地点并将它们分类。压后皮层复合体（RSC）将地点映射到更大空间中的适当位置，使我们能够从一个地点导航到另一个地点。枕叶位置区（OPA）使我们能够在直接环境中行走，而不会撞到边界或其他障碍物。
“目前我们无法解决大多数神经学问题，”Dilks说。“但通过持续了解更多关于大脑如何正常发育和运作的信息，我们不断朝着在出现问题时能够修复它的目标迈进。”
步行导航与基于地图的导航
2024年，Dilks和Jung发现，用于在直接环境中行走、避开边界和障碍物的大脑系统直到8岁才看起来像成人。
“这似乎有悖直觉，”Dilks说。“大多数儿童在两岁前就能走路。然而，帮助你在直接环境中行走的大脑系统直到相对较晚才开始呈现成人特征。”
Dilks和Jung提出了一个理论，即看似更复杂和精细的基于地图的导航能力发展得更早。他们指出，即使在儿童能够很好地行走之前，他们就被抱着从一个房间到另一个房间，或用婴儿车从一个地方带到另一个地方，这使他们能够基本上建立起周围环境的地图。
为了撰写当前的论文，他们为五岁儿童创建了实验方案来测试他们的理论。
他们从一个名为“神经村”的虚拟城镇开始，该城镇由Dilks实验室为一项成人研究开发。它由八座建筑组成，分布在围绕城镇广场的街道上，并按四个基本方向定位。
在对埃默里儿童研究中心注册的五岁儿童参与者进行的测试中，Jung很快发现“神经村”对他们来说导航有点太复杂了。她简化了范式，将其变成一个三角形，并称之为“迷你小镇”。没有使用基本方向，而是用独特的地标描绘三角形的每个角，包括山角、树角和湖角。
她为“迷你小镇”创建了六座建筑，包括通常引起儿童兴趣的类别各两个：冰淇淋店、游乐场和消防站。
让科学变得有趣
Jung说，与儿童参与者进行实验需要创造力和耐心。
“我们想探究我们试图回答的科学问题，”她解释道，“但让参与研究的儿童玩得开心也很重要。我们希望他们带着对科学的好印象离开。”
Jung首先让一名儿童熟悉虚拟城镇，使用电脑上的箭头键在街道上移动并到达不同的地方。然后她邀请儿童做同样的事情。“令人着迷的是他们非常擅长这个，”她说。
熟悉之后是测试他们的知识。她向一名儿童展示“迷你小镇”的静态图像，并提出问题，例如：你在迷你小镇中见过这座建筑吗？它在山角吗？
大多数儿童通过了这项测试，并进入下一阶段：扫描训练。
Jung将训练过程变成了一个涉及儿童和成人实验室成员的游戏。一名成人会指着孩子说：“不许动！”
“孩子们喜欢这个！他们特别喜欢让房间里的成人定住，”Jung说。“他们会指着我们中的一个人说：‘现在轮到你了！’”
研究人员向参与者解释说，扫描仪就像一台相机，他们需要保持完全静止，这样当他们在机器中执行任务时，照片就不会模糊。
然后训练孩子们做类似游戏的任务，根据来自“迷你小镇”的配对图像按下按钮。例如，如果一张特定消防站的图像与一张山的图像一起显示，如果这个场景正确映射到迷你小镇，他们就需要按下按钮。
参与者在进入真正的扫描仪进行实验之前，在一个模拟扫描仪中练习任务。“我们给了他们一条毯子和一个枕头，让他们感到舒适，并解释他们将在自己的私人影院里看一部电影，”Jung说。“他们非常喜欢这个主意。”
由此产生的数据表明，五岁儿童可以学习地图并将其记在脑中。为了做到这一点，他们使用了RSC——专门用于编码地图中建筑物位置的大脑区域，使我们能够从一个地点导航到另一个地点。
锦上添花的是，参与研究的每个人——包括研究人员——都享受了这次体验。
“和孩子们一起工作真的很有趣，”Jung说。“我发现五岁是扫描儿童的奇妙时期。他们往往不害怕新事物。”
Dilks实验室目前正在深入研究大脑如何发展识别世界并在其中移动的能力的问题，通过为幼儿制定实验方案。
他们被证明是比婴儿和五岁儿童更大的挑战。“在两到三岁之间，孩子基本上不听你的话，”Jung说，她是一个三岁孩子的母亲。
她和她的实验室同事正在尝试一些策略，包括一个纸板模拟扫描仪、卡通片和Cheerios麦片。
“探索人类如何使用大脑的不同部分进行复杂行为，以及这些如何随年龄和经历变化，非常迷人，”Jung说。“我们正在为临床应用奠定基础，包括更好地理解典型与非典型的神经发育。”