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动物进行导航以及与物体交互时的精确程度，部分取决于其大脑如何表征三维空间中的位置与方向。一个核心挑战在于：如何在一个统一框架内解释从昆虫到灵长类动物的神经系统如何表征三维（3D）姿态。本文提出了一种基于如下假设的框架：姿态的神经表征位于由特殊欧氏群 SE(3) 导出的流形上；SE(3) 描述了三维空间中刚体位置与方向的完整空间。该框架揭示了运动约束、物体几何形状与视觉特征如何共同决定所得姿态流形的拓扑结构，并据此建立了一套可指导实验检验的分类体系。我们运用该框架，推导出用于表征三维物体方向的低维流形（适用于猕猴顶叶皮层），以及用于表征果蝠、小鼠和猴子边缘系统中头部朝向的低维流形。该分析还指导了神经元调谐函数的构建，使其符合由实验条件所决定的拓扑结构。总体而言，这些结果为建立一种统一方法提供了基础，用于将三维姿态的几何结构与不同物种及脑系统中的神经编码联系起来。
ari.rosenberg{at}wisc.edu
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摘要
动物在导航和与物体互动时的精准程度，部分取决于其大脑如何表征三维空间中的位置和朝向。一个核心挑战是，如何在统一框架内解释从昆虫到灵长类动物的神经系统如何表征三维姿态。本文提出一个基于如下假设的框架：姿态的神经表征位于由特殊欧几里得群 SE(3) 导出的流形上；SE(3) 描述了三维空间中刚体位置与朝向的完整空间。该框架揭示了运动约束、物体几何形状和视觉特征如何共同决定所得姿态流形的拓扑结构，并据此建立了一个可指导实验检验的分类体系。我们运用这一框架，推导出猕猴顶叶皮层中三维物体朝向神经表征的低维流形，以及果蝠、小鼠和猴子边缘系统中头部朝向表征的低维流形。这项分析也为构建神经元调谐函数提供指导，使其符合由实验条件决定的拓扑结构。综上，这些结果为不同物种和脑系统中三维姿态几何与神经编码之间的关联提供了一种统一方法。
利益冲突声明
作者声明不存在利益冲突。
已声明的资助方信息
美国国立卫生研究院，
NS128586
EY029438
EY035005
U01NS131438
P51OD011106
视网膜研究基金会，
美国空军科学研究办公室（AFOSR），
FA9550-23-1-0722
版权
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发布于 2026 年 10 月 27 日。
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三维空间体验神经表征的流形
Raymond Doudlah、Mengyu Xiao、Satchal Postlewaite、Byounghoon Kim、Noah Cowan、Ari Rosenberg
bioRxiv
2026.10.22.760836；
doi：https://doi.org/10.64898/2026.10.22.760836
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关键词：三维空间表征 · 神经编码 · 姿态流形 · 特殊欧氏群SE(3) · 空间导航 · 神经元调谐
原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.10.22.760836v1?rss=1