神经科学家正在开发相关方法，以绘制使我们能够识别并在世界中导航的大脑系统。
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为“微型小镇”的虚拟环境的实验，他们表明五岁儿童已经拥有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，这是证明如此年幼的儿童已具备这种认知能力的首个神经证据。
“虽然大尺度导航能力在童年期间肯定会持续发展，但我们的研究结果表明，潜在的神经系统建立得非常早，”该研究的第一作者、埃默里大学心理学系博士后研究员耶兰·郑说。
“基于地图的导航不需要十年或更长时间，而是在一半的时间内就已经开始了，”心理学副教授、该研究资深作者丹尼尔·迪尔克斯补充道。“五岁儿童拥有大脑系统，使他们能够在微小的虚拟小镇中认路。他们不仅知道山区的冰淇淋店与湖区的冰淇淋店不同，而且知道如何在街道中穿行以到达每一家店。”
绘制视觉大脑图谱
迪尔克斯处于识别视觉皮层与面孔、地点和物体处理相关的特定功能的前沿——即我们如何识别世界并在其中穿行。他还开创了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，“是知识如何在大脑中组织，以及这些知识的起源。换句话说，你生来具备什么知识，以及知识如何随着你的成长而发展？”
功能性磁共振成像技术为了解这些问题提供了一个窗口。这种无害、无创的技术使用巨大的磁铁扫描大脑并记录血液的磁特性。它测量流向大脑特定区域增加的血流，表明该区域更加活跃。
在过去十年的成人研究中，迪尔克斯实验室表明，大脑中的三个场景选择性区域执行着独立、互不重叠的任务。海马旁回位置区（PPA）使我们能够识别地点并将其归类。压部后复合体（RSC）将这些地点映射到更大空间中的正确位置，使我们能够从一个地点导航到另一个地点。枕叶位置区（OPA）使我们能够在眼前的环境中行走，不会撞到边界或其他障碍物。
“我们目前无法修复大多数神经系统问题，”迪尔克斯说。“但通过继续深入了解大脑如何正常发育和运作，我们正不断接近在出现问题时能够修复它的目标。”
行走导航与基于地图的导航
2024年，迪尔克斯和郑发现，用于在眼前环境中行走、避开边界和障碍物的大脑系统直到8岁才看起来像成人的样子。
“这似乎违反直觉，”迪尔克斯说。“大多数孩子在两岁之前就会走路。然而，帮助你在眼前环境中行走的大脑系统直到相对较晚的时候才开始呈现出成人般的样子。”
迪尔克斯和郑提出了一种理论，认为看似更复杂、更精细的基于地图的导航能力发展得更早。他们指出，即使在能够很好地走路之前，儿童就被抱着在房间之间移动，或者被放在婴儿车里在地点之间穿梭，这使他们能够基本上建立起周围环境的地图。
在这篇新论文中，他们为五岁儿童创建了实验方案来验证他们的理论。
他们首先使用了由迪尔克斯实验室为成人研究开发的名为“神经小镇”的虚拟小镇。它由围绕城镇广场布置、按四个基本方向定向的八栋建筑组成。
在与注册于埃默里儿童研究中心的五岁参与者进行的测试中，郑很快发现“神经小镇”对他们来说有点太复杂而无法导航。她简化了范式，将其变成三角形，并称之为“微型小镇”。不再使用基本方向，而是用独特的景观来描绘三角形的每个点，包括山角、树角和湖角。
她为“微型小镇”创建了六座建筑，包括儿童通常感兴趣的两个类别：冰淇淋店、游乐场和消防站。
让科学变得有趣
郑说，与儿童参与者进行实验需要创造力和耐心。
“我们想要解决试图回答的科学问题，”她解释道，“但参与研究的儿童玩得开心也同样重要。我们希望他们带着对科学的良好印象离开。”
郑首先使用计算机上的箭头键让儿童熟悉虚拟小镇，穿过街道并到达不同的地方。然后她邀请孩子做同样的操作。“他们表现得这么好真是令人着迷，”她说。
熟悉过程之后是对他们知识的测试。她向孩子展示“微型小镇”的静止图像并提问，例如：你在微型小镇里见过这座建筑吗？它是在山角吗？
大多数孩子通过了这项测试，进入了下一阶段：扫描训练。
郑将训练过程变成了一个涉及儿童和成年实验室成员的游戏。成年人会指着孩子说：“定住！”
“孩子们很喜欢这个！他们特别喜欢把房间里的成年人定住，”郑说。“他们会指着我们中的一个说，‘现在轮到你了！’”
研究人员向参与者解释说，扫描仪就像照相机，他们在机器中执行任务时需要保持完全静止，这样他们的照片才不会模糊。
随后，孩子们接受训练去完成类似游戏的任务，根据“微型小镇”的成对图像按下按钮。例如，如果显示特定消防站的图像与山的图像，且这种情况正确对应“微型小镇”的布局，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，先在模拟扫描仪中练习了这项任务。“我们给他们毯子和枕头，让它变得舒适，并解释说他们将在自己的私人影院里看电影，”郑说。“他们真的很喜欢这个主意。”
结果显示，五岁儿童可以学习地图并将其保存在脑海中。为了做到这一点，他们使用了RSC——这是专门用于在地图中编码建筑位置的大脑区域，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——都很享受这段经历。
“和孩子们一起工作真的很有趣，”郑说。“我了解到五岁是扫描儿童大脑的神奇时期。他们往往不害怕新事物。”
迪尔克斯实验室目前正在通过为幼儿制定方案，更深入地研究大脑如何发展识别世界和在世界上移动的能力这一问题。
事实证明，他们比婴儿和五岁儿童更具挑战性。“在两三岁之间，孩子基本上不听你的话，”郑说，她是一个三岁孩子的母亲。
她和实验室同事正在尝试各种策略，包括扫描仪的纸板模型、卡通片和麦圈。
“探索人类如何利用大脑的不同部分进行复杂行为，以及这如何随年龄和经验变化，是一件令人着迷的事，”郑说。“我们正在为临床应用奠定基础，包括更好地理解典型的神经发育与非典型的神经发育。”