Nature子刊:为啥上了年纪方向感变差?原来是噪音打扰了大脑的“指南针”

2020
06/15

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探索菌 /  生物探索
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研究发现:“噪音”扰乱了大脑的“指南针”,导致对移动速度的感知不准确。

有些人具有良好的方向感,而有些人则记不住路。而且方向感通常随着年龄的增长而减弱,因此,老年人通常比年轻人更难以进行空间定位,尤其是在不熟悉的环境中。这是什么原因所致?

近日,德国神经退行性疾病中心(DZNE)的研究人员和美国的专家对这种现象的起因提供了新的见解。根据他们的发现,确定空间位置错误的主要根源,原来是因为“噪音”扰乱了大脑的“指南针”,导致对移动速度的感知不准确。相关研究结果发表在《Nature Communications》杂志上,或有助于开发早期发现阿尔茨海默症的诊断工具。

https://doi.org/10.1038/s41467-020-15805-9

从视觉刺激到肌肉反馈,再到前庭系统传递的信号,人类大脑使用各种各样的感官输入来确定位置并引导我们穿过空间。信息处理的一个重要部分发生在内嗅皮层。在这个位于大脑两个半球的区域,有一些特殊的神经元,它们可以生成物理环境的心理地图。因此,真实空间的信息被转换成一种大脑可以处理的数据格式。

人类导航系统运行良好。但这并非没有缺陷。德国神经退行性疾病中心首席研究员Thomas Wolbers教授领导的DZNE科学家与美国麻省理工学院以及德克萨斯大学奥斯汀分校的专家合作,设计了一项具体实验。

总共约60名认知健康的年轻人和老年人通过头戴式显示器(HMD)从第一人称视角体验了虚拟现实环境。当参与者在现实世界中移动时,他们的姿势(位置和观看方向)将使用Vicon运动跟踪系统进行跟踪,并转换为虚拟环境中的运动(即姿势变化),从而使他们能够在虚拟世界中走来走去,并使用基于身体的视觉提示和视觉自我提示来估计其变化的位置。

对于路径整合任务,要求参与者跟踪他们自己的位置和方向,方法是抓住实验人员手中的木棍沿着10条不同的预定义但未标记的弯曲路径移动(见下图)。每条路径都有四个中间的停止点,要求参与者停止并报告他们对到该路径起点的直接距离和方向的估计。每个参与者对每个路径执行了三个重复。此外,六个路径的子集又执行了三遍,而没有在前三个停止点处中间停止,而仅在路径的末尾停止。

与实验设置同样重要的是对测量数据进行数学建模。这是基于一种将干扰位置确定的影响描述为噪声的方法。Wolbers说:“人体及其感觉器官远非完美。因此,大脑中的信息处理受到小故障的影响,这些小故障可以理解为噪声。借助我们的数学模型,我们能够弄清各种误差源的影响,并确定哪些畸变位置跟踪最多,哪些影响最小。这种误差源从未如此详细地进行过研究。”

结果发现,路径整合中的错误主要是由信息处理中的“内部噪声累积”引起的,而这种现象可能是运动速度感知不准确的结果。“应该指出的是,人类会根据他们之前行走的时间和速度来直观地估计所覆盖的距离。然而,我们的研究表明,在确定位置时出错的关键来源不是对时间的感知,而是进入大脑的速度信息的随机波动。” Wolbers说道。

而且,这种错误的来源在年轻人(平均年龄22岁)和成年人(平均年龄69岁)中均占主导地位。“年轻的受试者通常比老年研究的受试者在定向方面更好。更重要的是,内部噪音随着年龄的增长而增加。这种现象显然是路径整合不足的主要原因,并且可能也是与年龄有关的定向问题的诱因。但是,我们还不知道这种噪音的确切来源以及为什么它会随着年龄的增长而增加。”

此前,Wolbers发现,在认知健康的老年人中,内嗅皮层的某些神经元(所谓的网格细胞)对于空间导航至关重要,它们不规则地发射(其活动不稳定),这与年龄相关的定向困难有关。当前的结果表明,这些不稳定性并不是由于网格单元自身的故障引起的,而是由外部噪声引起的。因此,问题不在于网格单元,而在于到达内嗅皮质的信息流。这指出了早诊断阿尔茨海默症的可能性。

“阿尔茨海默症在早期与内嗅皮层受损有关。因此,有理由认为,像阿尔茨海默症中表现出的定向障碍起源于大脑的这一区域,这与年龄相关的定向障碍不同,这是我们目前的观点。” Wolbers解释说,“这可以提供一个机会,将正常的与年龄相关的定向问题与由阿尔茨海默氏症引起的定向疾病区分开来。从长远来看,我们的目标是开发能够在早期阶段检测到阿尔茨海默症的诊断方法。”

参考资料:

[1] Noise disturbs the brain's compass


本文转载自其他网站,不代表健康界观点和立场。如有内容和图片的著作权异议,请及时联系我们(邮箱:guikequan@hmkx.cn
关键词:
大脑,位置,年龄,路径,Wolbers

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