纽约-要穿越世界，您需要对周围环境有一种感觉，尤其是限制您运动的约束条件：墙壁，天花板和其他障碍物，这些障碍物定义了您周围可导航空间的几何形状。
现在，一组神经科学家已经确定了人类大脑专用于感知这种几何形状的区域。这个大脑区域以闪电般的速度编码场景的空间约束，并可能有助于我们对周围环境的即时感知。将我们定位在太空中，这样我们就可以避免撞到事物，弄清楚我们在哪里以及安全地在环境中导航。
这项研究今天在《神经元》上发表，为理解我们的大脑为帮助我们走动而进行的复杂计算奠定了基础。由哥伦比亚大学的Mortimer B. Zuckerman思维脑行为研究所和芬兰的阿尔托大学的科学家领导的这项工作还与旨在模仿人脑视觉能力的人工智能技术的发展有关。
“视觉使我们几乎即时感觉到我们在太空中的位置，特别是约束我们运动的表面几何形状（地面，墙壁）。感觉很轻松，但是它需要多个大脑区域的协调活动。”哥伦比亚祖克曼研究所首席研究员，该论文的资深作者尼古拉斯·克里格斯科尔特博士说。“神经元如何协同工作，使我们对周围环境有这种感觉，这仍然是个谜。通过这项研究，我们距离解决这个难题还近了一步。”
为了弄清楚大脑如何感知周围环境的几何形状，研究小组要求志愿者观察不同三维场景的图像。图像可能描绘了一个典型的房间，该房间有三堵墙，一个天花板和一个地板。然后，研究人员系统地改变了场景：例如，拆除了墙壁或天花板。同时，他们通过在芬兰的阿尔托（Aalto）神经影像学设施结合了两种最先进的脑影像技术，监控了参与者的大脑活动。
该论文的第一作者，阿尔托大学神经科学和生物医学工程讲师Linda Henriksson博士说：“通过在有条不紊地改变图像时为每个参与者重复这样做，我们可以拼凑他们的大脑如何编码每个场景。”
我们的视觉系统被组织成阶段的层次结构。第一个阶段实际上位于视网膜外部的大脑外部，可以检测简单的视觉特征。大脑的后续阶段有能力检测更复杂的形状。通过处理多个阶段的视觉信号-以及各个阶段之间的反复交流-大脑可以形成一张完整的世界图景，包括所有颜色，形状和纹理。
在皮层中，首先在称为主要视觉皮层的区域中分析视觉信号。然后将它们传递到几个更高级别的皮层区域进行进一步分析。在参与者的大脑扫描中，枕骨位置区域（OPA）是皮层处理的中间阶段，被证明特别有趣。
“以前的研究表明，OPA神经元编码的是场景，而不是孤立的物体。”同时还是哥伦比亚大学心理学和神经科学教授，认知成像主管的Kriegeskorte博士说。“但是我们还不了解该区域数以百万计的神经元编码场景的哪个方面。”
在分析了参与者的脑部扫描之后，Dr。Kriegeskorte和Henriksson发现OPA活动反映了场景的几何形状。OPA活动模式反映了每个场景组件的存在与否-墙壁，地板和天花板-传达了场景整体几何结构的详细信息。但是，OPA的活动模式并不取决于组件的外观；墙壁，地板和天花板的纹理-暗示该区域忽略了表面外观，因此仅关注表面几何形状。大脑区域似乎执行了所有必要的计算，以极快的速度获得房间的布局感：只需100毫秒。
Henriksson博士说：“我们的大脑感知周围基本几何形状的速度表明了迅速获取这些信息的重要性。”“这是了解您是在内部还是在外部，或者导航选项的关键。”
通过联合使用两种互补的成像技术：功能磁共振成像（fMRI）和脑磁图（MEG），可以在本研究中获得见识。功能磁共振成像测量血氧水平的局部变化，反映局部神经元活动。它可以以几毫米的分辨率显示详细的空间活动模式，但是时间上不是很精确，因为每次功能磁共振成像测量都反映了五到八秒钟内的平均活动。相比之下，MEG可测量大脑产生的磁场。它可以以毫秒的时间精度跟踪活动，但不能提供像空间一样详细的图片。
“当我们结合这两种技术时，我们既可以解决活动发生的地点，又可以解决活动发生的速度。”阿尔托大学（Aalto University）收集成像数据的Henriksson博士说。
展望未来，研究团队计划整合虚拟现实技术，以创建更逼真的3D环境，供参与者体验。他们还计划建立模仿大脑感知环境能力的神经网络模型。
Kriegeskorte博士说：“我们希望将这些东西放在一起，构建更像我们自己的大脑的计算机视觉系统，这些系统具有像我们在人脑中观察到的那样的专用机械，可以快速感知环境的几何形状。” 。
