Development of non-spatial grid-like neural codes tracks inference and intelligence

从童年到成年的转变标志着认知能力的深刻演进，即从孤立事实的记忆转向复杂心理框架的构建。尽管让·皮亚杰（Jean Piaget）的开创性理论提出儿童通过发展结构化的“图式”（schemas）来组织知识，但这些结构的神经生物学实现方式一直不为人知。近日，发表在《细胞》（Cell）杂志上的一项里程碑式研究发现，内嗅皮层（EC）中的非空间类网格神经代码（grid-like neural codes）是这种智力成熟的机制基础，并追踪了推理能力和流体智力的发育进程。

概念景观的映射

为了研究认知地图的出现，研究团队招募了203名8至25岁的参与者。参与者接受了一个二维（2D）概念空间的训练，其中“怪兽”由两个独立属性定义：攻击力（AP）和防御力（DP）。至关重要的是，参与者在训练期间仅学习了一维的相邻关系。在随后的fMRI扫描中，他们被要求进行“基于地图的推理”——计算跨越两个维度的各种新颖配对之间的关系——以及“知识同化”，即将新对象整合到已建立的2D框架中。

内嗅图式与前额叶地图

该研究利用六角对称调制分析和表征相似性分析（RSA）来检测类网格代码，这是一种通常与空间导航相关的细胞表征。研究人员发现，内嗅皮层利用这些类网格代码来表征2D概念地图。这些代码随年龄增长显著增强，中介分析显示，内嗅皮层类网格表征的成熟支撑了推理能力的阶段性提升。

此外，研究发现内侧前额叶皮层（mPFC）负责编码概念之间的欧几里得距离，实际上充当了当前任务的具体“地图”。这种mPFC距离代码受到内嗅皮层类网格代码的调制：当心理“轨迹”与网格的六角轴线对齐时，距离表征显著更加稳健。这表明内嗅皮层提供了一个结构化图式，而mPFC利用该图式来计算特定的关系距离。

同化过程与结构成熟

研究的一个核心发现是大脑如何整合新信息。当引入四个新对象时，成功同化它们的参与者是通过将新数据与现有的内嗅皮层网格取向对齐来实现的。虽然内嗅皮层类网格代码在不同任务中保持稳定，但mPFC距离编码在快速知识同化中表现出独立的、随年龄增长的发育作用。

这种功能发育与结构变化相呼应。虽然由于突触修剪，皮层总灰质体积（GMV）在青少年时期通常会减少，但内嗅皮层的GMV却随年龄和推理能力的增长而独特地增加。此外，内嗅皮层与mPFC之间的结构连接（SC）——特别是通过扣带束（cingulum bundle）——随年龄增长而加强。内嗅皮层-mPFC通路的这种成熟似乎是使网格编码原则从物理空间扩展到抽象概念领域的关键步骤。

追踪人类智力

或许最具意义的是，该研究将这些神经特征与现实世界的认知评估联系起来。通过典型相关分析（CCA），研究人员证明了内嗅皮层类网格代码和mPFC距离代码的强度显著预测了瑞文标准推理测验（SPM）和韦氏儿童智力量表（WISC）的分数。这些发现表明，将经验组织成结构化2D概念空间的能力是流体智力和抽象推理的核心组成部分。

总之，这项研究弥合了发展心理学与细胞神经科学之间的鸿沟。通过证明非空间类网格代码的成熟追踪了人类智力的增长，该研究为发育中的大脑如何构建复杂推理和终身学习所需的“思维几何学”提供了机制解释。