以世界为中心的认知地图与以自我为中心的图像空间,在物理空间和概念空间导航中如何相互作用?

大脑如何结合以世界为中心的地图和以自我为中心的视角来导航物理空间和概念空间,以及动物研究和人工智能研究揭示了什么。

直接答案

导航依赖两种互补的表征:一种是以世界为中心的认知地图,记录事物相对于环境的位置;另一种是以自我为中心的图像空间,记录你从当前视角看到或听到的内容。大脑似乎会同时使用两者,并根据任务在两者之间切换或结合,而且同一套机制可能既帮助组织抽象知识,也帮助组织物理空间[1][2][5]。

5篇文献引用

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为什么大脑既需要世界地图,也需要第一人称视角

以世界为中心的地图之所以有用,是因为它在你移动时保持稳定:无论你面向咖啡店还是背对它走开,咖啡店都在同一个位置。以自我为中心的图像空间之所以有用,是因为它与你此刻眼睛和耳朵实际接收到的信息一致,而这正是你规划下一步或下一个转弯所需要的[1][2]。单靠任何一种都不够。有地图而没有视角,你无法知道自己该朝哪个方向看;有视角而没有地图,你无法知道自己在大布局中的位置。

人类神经科学研究指出,异我中心(以世界为中心)和自我中心(以自我为中心)的空间表征都参与导航,包括在真实世界和基于地图的情境中[2]。Bottini 和 Doeller 的综述把认知地图和图像空间视为组织知识的两种方式,一种与海马结构相关,一种与自我中心的意象相关,并提出两者都会被用于空间知识和概念知识[1]。

雪貂实验揭示了什么:如何在参照框架之间切换

一个清晰的行为学证据来自雪貂定位声音的实验。这些动物学会了区分以世界为参照或以头部为参照定义的声音位置,并且当替代参照框架大幅变化时仍能泛化[5]。在这两项任务中,雪貂使用的是连续的听觉空间地图,而不是几个记住的锚点,而且它们逐次试验的选择可以根据相关坐标系中的扬声器位置来预测[5]。

这一点很重要,因为它表明动物能够获取同一感官维度(听觉)的头部中心表征和世界中心表征,并用其中任何一种来指导行为[5]。这项研究并未表明雪貂会同时结合两种参照框架;它表明雪貂能解决以任一框架设定的任务。这是一个更窄的结论,但它确立了一点:两种坐标系在同一个大脑中并不互斥。

同一套系统是否也组织想法,而不只是地点?

空间导航系统也处理抽象知识,这一提法是一个正在积极讨论中的假说,而非定论。Bottini 和 Doeller 综述了认知地图和自我中心图像空间被用于表征和导航概念空间及物理空间的证据[1]。Peer 及其同事将灵活的地图式导航与路线式导航进行对比,并提出一个开放问题:非空间输入(可能来自大脑后部的图像空间)能否输入到类似地图的知识结构中[3]。

这一区别关系到你如何看待学习。路线式表征是与特定路径绑定的一系列步骤;地图式表征则允许走捷径和绕路[3]。如果概念知识以类似地图的方式组织,那就有助于解释灵活的推理;如果它更像路线那样组织,那就能解释为什么专业知识有时会变得僵化。现阶段证据支持图像空间输入可能有助于形成类似地图的结构,但并未确立它们的作用方式与物理导航时相同[1][3]。

构建导航机器能教给我们什么关于两者互动的知识

人工导航系统为两种表征如何连接在一起提供了具体检验。一种架构把第一人称视角编码为二维图像空间表征,将其转换为俯视的信念地图,并利用该地图在模拟和真实室内环境中规划动作[4]。这是一个工程学演示,表明以自我为中心的视觉输入可以转换为以世界为中心的地图,然后用于目标导向的移动。

机器案例并不能作为生物大脑的证据,也没有涉及概念空间。但它表明这种转换在计算上是可行的,而且两种表征可以在一个系统中承担不同角色:图像空间捕捉可见内容,地图支持规划[4]。对普通读者来说,实际要点是:以世界为中心和以自我为中心的表征,最好被理解为分工不同的伙伴,而不是关于导航如何运作的相互竞争的理论[1][2][4]。

本文引用的文献

1

跨参照框架的知识:认知地图与图像空间

综述把认知地图和自我中心图像空间视为组织空间知识和概念知识的两种方式,其中认知地图通常与海马结构相关。

2

空间调谐脑细胞对人类导航表现的贡献

考察异我中心(以世界为中心)和自我中心(以自我为中心)的空间表征如何在真实世界和基于地图的情境中参与人类导航。

3

用认知地图和认知图结构建知识

对比灵活的地图式导航与路线式导航,并提出一个开放问题:图像空间等非空间输入能否输入到认知地图中。

4

面向视觉导航的认知建图与规划

提出一种神经网络架构,把第一人称图像空间表征转换为俯视的信念地图,用于在模拟和真实室内环境中规划动作。

5

雪貂对世界中心和头部中心空间的声音定位

表明雪貂能学会定位以世界为中心或以头部为中心定义的声音,并在两项任务中都使用连续的听觉地图来指导行为。