Cell发文：破解大脑“认知地图”发展，北京脑所柳昀哲团队揭示人类“举一反三”与智力发展的神经机制

人类认知能力的发展，从来不只是知识量的积累，更是一次深刻的组织方式变革。幼年时期，我们依赖具体经验逐条记忆；而随着成长，我们逐渐能从零散信息中提炼结构、发现规律，并将新知识快速纳入已有框架——这正是发展心理学家皮亚杰所称的"图式（schema）"发展过程。

然而，"图式"究竟对应怎样的大脑机制？这一心理学构念长期缺乏神经层面的直接证据。近年来，认知神经科学发现，大脑内嗅皮层（EC）中的网格细胞以六边形周期性放电模式实现空间定位与导航。更引人注目的是，这一机制似乎并不局限于空间感知——它可能同样参与了抽象概念知识的组织。

由此引出一个核心科学问题：原本服务于空间导航的神经网格系统，是否也在支撑人类抽象知识地图的发育？这一系统的成熟，又是如何推动推理能力从儿童期向成年期的跃迁？

北京脑科学与类脑研究所柳昀哲实验室开展了一项覆盖8至25岁、共203名参与者的大规模发育性神经影像研究，系统揭示了认知地图的神经编码如何随年龄发展，并支撑推理能力与知识同化能力的提升。3月25日，柳昀哲团队在 Cell 期刊发表了题为 “Development of Non-Spatial Grid-Like Neural Codes Tracks Inference and Intelligence” 的相关研究论文。

图1：任务设计与推理能力的年龄相关提升

研究者设计了一套特殊的"知识地图"任务。学习阶段，参与者接触25个怪兽角色，逐步学习它们在"攻击力"与"防御力"两个维度上的相邻关系。关键在于，研究者刻意不透露这25个角色实际上按一张5×5的二维结构图排列——参与者获得的，始终只是碎片化的成对关系。

随后的fMRI扫描阶段，参与者需要解答数百道从未直接见过的新推理题，每道题都要求同时整合两个维度的信息，如同在脑中"导航"这张隐含的知识地图。任务完成后，再引入4个新角色，测试参与者能否将其快速融入已建立的知识框架。

行为结果显示，年龄与推理正确率之间存在强烈正相关，即便控制记忆差异后依然如此——表明年龄对推理能力的影响独立于记忆优势之外。新知识同化能力同样随年龄显著提升，且独立于已有推理能力之外。这些结果表明，儿童期到成年期之间，确实存在一种不能被记忆力差异所解释的结构化推理能力的真实跃升。

图2：内嗅皮层网格编码的发育支撑推理能力

确认年龄效应存在后，研究者转而探寻其神经基础。他们采用三种独立的fMRI分析方法，在内嗅皮层（EC）中一致检测到了显著的类网格编码——神经活动随推理轨迹的方向呈六重周期性调制，与网格细胞的电生理特征契合。这种编码具有高度特异性，仅六重周期显著，排除了非特异性因素的干扰。

统计上，EC网格编码强度随年龄增长而增强，且与推理表现正相关。中介分析进一步证实，EC网格编码的增强显著中介了年龄对推理能力的促进作用。值得注意的是，在8至12岁的低龄儿童中，网格编码与推理改善的相关性最为突出——提示这一阶段是结构化知识发育的关键窗口期。

图3：EC网格编码支撑内侧前额叶皮层的距离编码

在确认EC中的"图式表征"之后，研究者进一步追问：这一抽象结构如何为具体推理过程所用？他们将目光转向内侧前额叶皮层（mPFC），发现mPFC在推理过程中编码的是二维知识地图上各对象间的概念空间距离，且这一"距离编码"随年龄增长而增强。

更关键的发现在于两者的关联机制：当推理轨迹方向与EC估计的网格朝向"对齐"时，mPFC的距离编码显著更强；"未对齐"时则减弱——提示mPFC的地图表征是在EC网格图式的"坐标框架"之上构建的。中介分析显示，对年龄-推理关系的驱动最终来自EC，而非mPFC。这表明，EC网格图式先于mPFC距离地图，是支持推理的核心机制。

图4：EC网格编码的稳定性促进新知识同化

当四个新角色被引入已有知识地图的中心位置时，参与者只获得这些新角色与邻近角色的局部关系，随后即被要求对新旧角色之间的远程关系做出推断。若参与者成功将新知识同化入已有图式，则原有的EC网格朝向应保持一致，使新的推理轨迹能够与原有网格框架对齐。

结果正如预期：新旧任务中的网格编码在EC存在显著重叠，直接证明了图式在知识更新后的稳定持续。EC网格朝向的对齐程度能够预测非局部推理表现，且这种预测力与年龄无关——说明它并非反映一般发育成熟度，而是专门衡量个体维持图式稳定、高效同化新知识的能力。

图5：mPFC距离编码选择性支撑知识同化的年龄相关发展

在EC图式保持稳定的前提下，新知识如何被整合进已有框架？研究者发现，mPFC在新知识同化任务中同样编码对象间的距离关系，且其表征强度与年龄及非局部推理表现均正相关——即便控制了原有推理能力后，这些相关仍然成立。

特别值得强调的是，EC网格编码并不中介这一过程，mPFC的发展对知识同化能力的进步提供了最多的独立贡献。结合mPFC持续成熟至成年早期的已知发育规律，这一发现揭示了mPFC的独特角色：它不仅是推理的执行者，更是整合新旧知识的发展增幅器。

图6：网格编码的发育驱动策略从启发式到结构化的转变

儿童在网格编码尚未发育成熟时，依靠什么策略完成推理任务？研究者将推理试题分为两类：一致性试题指一个怪兽在两个维度上均占优，凭直觉或统计记忆即可作答；冲突性试题则要求综合两个维度中相互矛盾的信息，必须依赖结构化的二维知识地图。

行为分析发现，8岁儿童在一致性试题上表现良好，但在冲突性试题上成绩崩塌至随机水平——两类题目之间的差距极为显著。进一步分析揭示，随年龄增长，冲突性试题相对于一致性试题的表现提升，仅在EC网格编码较强的参与者中出现；网格编码较弱的个体则看不到这种年龄相关的改善。

这一模式为认知发展机制提供了清晰的解释：儿童早期凭借启发式策略应对简单任务，而随着EC网格编码的逐步成熟，大脑才真正获得整合多维冲突信息所需的结构化表征能力——这正是"举一反三"能力发育的神经根基。

图7：认知地图的神经发育基础及其与智力测验的关联

上述功能性发现获得了结构神经影像的支持。全脑皮层灰质体积在8至25岁间整体下降，符合已知发育轨迹；然而，EC的灰质体积却逆势增长，与年龄和推理能力均正相关，方向与大多数脑区相反。mPFC则经历灰质体积下降与功能表征增强的并行变化，提示其正经历一种结构-功能关系的发育性重组。

白质连接分析进一步发现，连接EC与mPFC的纤维束（尤其是扣带束）的结构连接强度随年龄增长最为显著，且与推理能力正相关。该结构连接还与EC网格编码对mPFC的功能调制紧密相连，共同预测最终的推理表现——揭示了认知地图发育的完整结构-功能耦合链条。

最后，典型相关分析揭示，EC网格编码与mPFC距离编码对标准流体智力测验（瑞文推理测验）的分数具有显著预测力。这表明，这两种神经表征与人类在真实世界中的抽象推理能力高度对应，触及了"举一反三"能力的核心机制。

总结

这项研究系统揭示了大脑从感知零散事实到组织结构化知识这一发育跃升的神经机制。内嗅皮层中的类网格编码随年龄增强，为二维抽象知识提供坐标框架；内侧前额叶皮层则在此基础上构建对象间的关系距离，并在知识同化阶段发挥独立的年龄依赖性作用。两者之间的白质结构连接随年龄逐步增强，构成这一认知升级的解剖学基础。

特别值得关注的是：12岁前后是EC网格编码发育的关键加速窗口。此阶段儿童最需要培育的，并非机械记忆能力，而是从经验中提炼结构、建立关系的思维方式。研究发现，神经层面的认知地图表征与标准智力测验中的抽象推理分数紧密相连——这意味着，真正决定一个人未来学习潜力的，正是其大脑能否将知识编织成一张结构化、灵活且能持续生长的认知地图。

论文信息

该研究由柳昀哲实验室主导，实验室博士生瞿宇堃、区健新，庞珞珧，吴舒棋等人完成，并联合了北师大罗跃嘉团队协同。研究得到了国家科技创新2030重大项目、国家自然科学基金、北京市自然科学基金以及中央高校基本科研业务费的资助。

目前，该实验室正持续开展针对儿童大脑与认知能力长期发展轨迹的纵向追踪研究，旨在结合脑科学与前沿AI技术，开发精准的个体认知评估与干预工具，提供个性化的心理，脑发展评测报告，帮孩子掌握高效学习的核心机制。另一方面也致力于推动类脑科学的发展，以人类探索、归因与规划等高级认知能力的发展规律为基础，为具备真正主动探索与泛化能力的AI智能体研究提供认知计算基础。如果您对脑科学赋能教育、脑与人工智能的交叉应用感兴趣，或有意向报名儿童认知发展追踪测评，欢迎与我们联系交流或关注“海马格子”公众号！

原文链接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(26)00266-7