空间认知与情景记忆的神经动力学研究

Spatial cognition and episodic memory functions of the brain are performed by entorhinal-hippocampal circuit uniformly. The related researches are always conducted in one or two dimensional space nowadays, while the cognition and memory for the realistic three dimensional space are rarely addressed. Furthermore, the explanation of the cognitive mechanism and the neural information coding are difficult to integrate into a unified framework. So the theoretical development and the application prospect of these researches are limited. .Concerning the problems mentioned above, this research project which combines dynamical analysis and global energy coding method will investigate the three dimensional spatial cognition and episodic memory of the brain. The project will include the following contents: A grid cell-place cell network model will be constructed for three dimensional space based on neural energy, which will acquire cognitive and memorial functions in three dimensional space; The dynamical states and corresponding physiological meanings will be surveyed, then the coding and expression for the spatial and memorial information by neural energy will be obtained; The navigating and path optimizing functions of the model in three dimensional space will be perfected by comparing and predicting the experimental results, and the neural mechanism of cognition and memory will be illuminated. This research will advance the study of spatial cognitive function, and lay the foundation for further research of energy coding and neurodynamical modeling. It will also inspire the development of brain-like artificial intelligence algorithm utilized by spatial tasks performed by robots.

大脑的空间认知和情景记忆功能由内嗅皮层-海马体回路统一执行。当前，相关的研究往往在一维或二维的环境中进行，最符合实际需求的三维空间认知与记忆问题却很少被涉及，认知机理的阐述和神经信息的编码也难以统一到共同的框架中，从而使其理论发展和应用前景都受到了限制。.针对上述问题，本项目结合动力学分析和全局神经能量编码的方法，对大脑的三维空间认知和情景记忆功能展开探究，具体包括：基于神经能量建立三维空间中网格细胞-位置细胞网络模型，实现模型在三维空间中的认知和记忆功能；探讨模型的动力学状态及其对应的生理学意义，得到神经能量对空间和记忆信息的编码与表达；预测和对照相关实验结果，完善模型在三维空间中的导航和路径优化功能，并阐述其认知与记忆的神经机制。该项目能够推动空间认知功能的研究进展，为后续大脑全局能量编码和神经动力学建模打下基础，也能够启发智能机器人执行空间任务所需的类脑人工智能算法的开发。

对空间信息进行编码和记忆对动物的生存至关重要，研究其中的神经动力学机制有助于我们更好地理解大脑、学习大脑。但当前的实验和理论研究主要聚焦在一维或二维的环境，很少涉及实际的三维空间，也缺乏对空间信息编码机制的动力学分析和统一阐述，从而使其理论发展和技术应用都受到了限制。 .针对这些问题，本项目结合动力学分析和神经能量编码的方法，对大脑的三维空间认知和记忆功能展开探究，具体包括:建立三维空间中网格细胞、位置细胞的动力学模型，实现对三维的位置和度量等信息的有效编码；探讨模型的动力学和能量对应的生理意义，得到神经能量对空间信息的表达;解释已有的实验结果，并基于模型做出预测，完善模型在三维空间中的导航功能；建立网格细胞-位置细胞的动力学网络模型，探讨空间信息在网络中的传递。本项目对这些问题进行了深入研究，取得了预期的结果，主要成果包括：建立了关于空间方位的工作记忆和长期记忆转化的双稳态神经网络动力学模型，从神经能量角度阐明了记忆转化的机制；结合神经能量和信息论建立了一个位置细胞的跨维度模型，实现了不同空间维度的位置细胞活动的统一解释；引入了重力信息的感知作为三维空间定位的参考，提出了一个重力调制的震荡干涉模型对网格细胞在三维空间进行建模，准确重现了动物实验的现象，并给出了网格细胞活动模式独立于路径的条件，进一步讨论了三维空间中的网格细胞编码在不同物种之间存在的差异；在此基础上，进一步建立了一个三维空间中网格细胞-位置细胞的旋转-积分网络模型，阐明了三维空间信息在网络中的传递机制。.这些成果加深了我们对大脑的三维空间认知的理解，拓展了动力学思想方法在脑科学中的应用，得到的空间认知原理有望应用于无人机、无人潜艇等智能设备，实现其智能化、自主化。这些成果不但具有重要的科学意义，还有潜在的应用价值。