Рух - гэта жыццё. Дадзеную фразу можна інтэрпрэтаваць і як матывацыю рухацца наперад, не стаяць на месцы і дасягаць жаданага, і як канстатаванне факту, што практычна ўсе жывыя істоты большую частку жыцця знаходзяцца ў руху. Для таго, каб нашы рухі і перасоўванні ў прасторы кожны раз не сканчаліся шышкамі на лбе і пабітымі пальчыкамі на нагах, наш мозг выкарыстоўвае захаваныя "карты" навакольнага асяроддзя, якія неўсвядомлена ўсплываюць у момант нашага руху. Аднак, ёсць меркаванне, што мозг прымяняе гэтыя карты не з боку, так бы мовіць, а змяшчаючы чалавека на гэтую карту і збіраючы дадзеныя пры выглядзе ад першай асобы. Даказаць гэтую тэорыю вырашылі навукоўцы з Бостанскага ўніверсітэта, правёўшы шэраг практычных досведаў з лабараторнымі пацукамі. Як жа насамрэч мозг арыентуецца ў прасторы, якія пры гэтым задзейнічаюцца клеткі, і якую ролю дадзенае даследаванне гуляе для будучыні аўтаномных аўтамабіляў і робатаў? Пра гэта мы даведаемся з даклада даследчай групы. Паехалі.
Аснова даследавання
Такім чынам, устаноўлены шмат гадоў таму факт заключаецца ў тым, што асноўнай часткай мозгу, якая адказвае за арыентацыю ў прасторы, з'яўляецца гіпакампа.
Гіпакамп удзельнічае ў самых розных працэсах: фарміраванне эмоцый, пераўтварэнне кароткачасовай памяці ў доўгачасовую і фарміраванне прасторавай памяці. Менавіта апошняя і з'яўляецца крыніцай тых самых "карт", якія наш мозг у патрэбны момант выклікае для больш эфектыўнай арыентацыі ў прасторы. Гэта значыць у гіпакампа захоўваюцца трохмерныя нейронавыя мадэлі прасторы, усярэдзіне якога знаходзіцца ўладальнік мозгу.
гіпакампа
Існуе тэорыя, якая сцвярджае, што паміж фактычнай навігацыяй і картамі з гіпакампа маецца прамежкавы этап - пераўтварэнне гэтых карт у выгляд ад першай асобы. Гэта значыць чалавек спрабуе зразумець дзе што размешчана не наогул (як мы бачым на сапраўдных картах), а дзе што будзе размешчана адносна яго самога (як функцыя "прагляд вуліц" у Google Maps).
Аўтары разгляданай намі працы падкрэсліваюць наступнае: Кагнітыўныя карты навакольнага асяроддзя кадуюцца ў гиппокампальной фармацыі ў алоцентрической сістэме, але маторыка (самі рухі) прадстаўлены ў эгацэнтрычнай сістэме.
UFO: Enemy Unknown (алацэнтрычная сістэма) і DOOM (эгацэнтрычная сістэма).
Розніца паміж алацэнтрычнай і эгацэнтрычнай сістэмамі нагадвае розніцу паміж гульнямі ад трэцяй асобы (ці ад выгляду збоку, зверху і г.д.) і гульнямі з выглядам ад першай асобы. У першым выпадку для нас важна само асяроддзе, у другім - наша становішча адносна гэтага акружэння. Такім чынам, алацэнтрычныя навігацыйныя планы павінны быць пераўтвораны ў эгацэнтрычную сістэму для фактычнай рэалізацыі, г.зн. перамяшчэння ў прасторы.
Даследнікі лічаць, што менавіта дорсамедыяльны стрыятум (DMS)* гуляе найважную ролю ў вышэйапісаным працэсе.
Паласатае цела мозгу чалавека.
Стрыатум* - Частка мозгу, якая адносіцца да базальным ядрам; стриатум удзельнічае ў рэгуляцыі цягліцавага тонусу, унутраных органаў і паводніцкіх рэакцый; стриатум таксама завуць «паласатае цела» з прычыны яго структуры з якія чаргуюцца палос шэрага і белага рэчыва.
DMS дэманструе нейронавыя адказы, звязаныя з прыняццем рашэнняў і выкананнем дзеянняў адносна навігацыі ў прасторы, таму гэты ўчастак мозгу варта вывучыць падрабязней.
вынікі даследавання
Каб вызначыць наяўнасць / адсутнасць эгацэнтрычнай прасторавай інфармацыі ў паласатым целе (DMS), 4 самцам пацукоў імплантавалі да 16 тэтродаў (адмысловыя электроды, якія падключаюцца да патрэбных участкаў мозгу), накіраваных на DMS (1а).
Малюнак №1: рэакцыя клетак паласатага цела на межы навакольнага асяроддзя ў эгацэнтрычнай сістэме адліку.
Тлумачэнні да выявы №1:а - кропкі размяшчэння тэтродаў;
b - эгацэнтрычная карта межаў;
с - Алацэнтрычныя прасторавыя карты (4 квадрата злева), графікі траекторый з каляровай кадоўкай месцазнаходжанне пікаў рэакцыі клетак адносна становішча цела і эгацэнтрычныя карты (4 квадрата справа) на аснове рэакцыі клетак EBC пры розных арыентацыях і адлегласці паміж пацуком і сцяной;
d - як і на 1с, Але для EBC з пераважнымі адлегласцямі, выдаленымі ад жывёлы;
e - як і на 1с, Але для двух зваротных EBC;
f - Размеркаванне сярэдняй выніковай даўжыні для назіраных клетак;
g - размеркаванне сярэдняй выніковай даўжыні для EBC з выкарыстаннем напрамкі руху і напрамкі галавы;
h - Размеркаванне сярэдняй рэакцыі ў адказ клетак (усіх і EBC).
Было праведзена 44 досведы, калі пацукі збіралі выпадкова раскіданую ежу ў знаёмай ім прасторы (адкрытай, не ў лабірынце). У выніку было зафіксавана 939 клетак. З сабраных дадзеных было ўстаноўлена наяўнасць 31 клеткі напрамкі галавы (HDC), аднак толькі малая частка клетак, а дакладней 19, мелі алацэнтрычныя прасторавыя карэляты. Пры гэтым актыўнасць гэтых клетак, абмежаваная перыметрам навакольнага асяроддзя, назіралася толькі падчас руху пацука ўздоўж сцен тэставай камеры, што мяркуе эгацэнтрычную схему кадавання меж прасторы.
Для ацэнкі магчымасцяў такога эгацэнтрычнага прадстаўлення на базе пікавых паказчыкаў актыўнасці клетак былі створаны эгацэнтрычныя карты меж (1b), якія ілюструюць арыентацыю і адлегласць межаў адносна напрамкі руху пацукі, а не палажэнні яе галавы (параўнанне на 1g).
18% з зафіксаваных клетак (171 з 939) дэманстравалі значную рэакцыю ў адказ, калі мяжа камеры займала пэўнае становішча і арыентацыю адносна паддоследнага (1f). Навукоўцы назвалі іх клеткамі эгацэнтрычных межаў (EBC - egocentric boundary cells). Колькасць такіх клетак у паддоследных складала ад 15 да 70 з сярэднім паказчыкам 42.75 (1c, 1d).
Сярод клетак эгацэнтрычных межаў меліся такія, актыўнасць якіх зніжалася ў адказ на межы камеры. Усяго іх было 49 і назвалі іх адваротнымі EBC (iEBC). Сярэдні паказчык рэакцыі клетак (іх патэнцыялу дзеянні) у EBC і iEBC быў дастаткова нізкі - 1,26 ± 0,09 Гц (1h).
Папуляцыя клетак EBC рэагуе на ўсе варыянты арыентацыі і становішчы мяжы камеры адносна паддоследнага, але размеркаванне пераважнай арыентацыі з'яўляецца бимодальным з пікамі, размешчанымі на 180 ° сябар насупраць сябра па абодва бакі ад жывёлы (-68 ° і 112 °), быўшы злёгку зрушаным ад перпендыкуляра да доўгай восі жывёлы на 22 ° (2d).
Малюнак №2: пераважная арыентацыя і адлегласць для рэакцыі ў адказ эгацэнтрычных клетак межаў (EBC).
Тлумачэнні да выявы №2:a - эгацэнтрычныя карты межаў для чатырох адначасова доследных EBC з рознымі пераважнымі арыентацыямі, паказанымі над кожным графікам;
b - становішча тэтродаў у адпаведнасці з клеткамі з 2а (лікі паказваюць на нумар сшытка);
с - размеркаванне верагоднасцяў пераважных арыентацый для ўсіх EBC аднаго пацука;
d - размеркаванне верагоднасцяў пераважных арыентацый для EBC ўсіх пацукоў;
е - становішча тэтродаў для клетак, паказаных на 2f;
f - эгацэнтрычныя карты межаў для шасці адначасова запісаных EBC з рознымі пераважнымі адлегласцямі, паказанымі над кожным графікам;
g - размеркаванне верагоднасцяў пераважнай адлегласці для ўсіх EBC аднаго пацука;
h - размеркаванне верагоднасцяў пераважнай адлегласці для EBC ўсіх пацукоў;
i - палярны графік пераважнай адлегласці і пераважнай арыентацыі для ўсіх EBC з памерам прасторы, прадстаўленым колерам і дыяметрам кропак.
Размеркаванне пераважнай адлегласці да мяжы ўтрымоўвала тры піка: 6.4, 13.5/25.6 і XNUMX/XNUMX см, якія паказваюць на наяўнасць трох розных пераважных адлегласцяў паміж EBC (2f-2h), якія могуць быць важныя для стратэгіі іерархічнага навігацыйнага пошуку. Памер рэцэптыўных палёў EBC павялічваўся ў залежнасці ад пераважнай адлегласці.2i), Што паказвае на тое павелічэнне дакладнасці эгацэнтрычнага прадстаўлення межаў пры зніжэнні адлегласці паміж сцяной і паддоследным.
Як у пераважнай арыентацыі, так і ў адлегласці адсутнічала выразная тапаграфія, бо актыўныя EBC паддоследнага з рознай арыентацыяй і адлегласцю адносна сцены з'яўляліся на адным і тым жа сшытку (2a, 2b, 2e и 2f).
Таксама было выяўлена, што EBC стабільна рэагуюць на межы прасторы (сцены камеры) у любых варыянтах тэставых камер. Каб пацвердзіць, што EBC рэагуюць на лакальныя межы камеры, а не на яе дыстальныя асаблівасці, навукоўцы "павярнулі" становішча камеры на 45 ° і зрабілі некалькі сцен чорнымі, зрабіўшы яе выдатнай ад скарыстанай у папярэдніх тэстах.
Былі сабраны дадзеныя як у звычайнай тэставай камеры, так і ў звернутай. Нягледзячы на змену тэставай камеры, усе пераважныя арыентацыі і адлегласці адносна сцен у EBC паддоследных засталіся ранейшымі.
Улічваючы значнасць кутоў, была таксама разгледжана магчымасць таго, што EBC унікальна кадуюць гэтыя лакальныя атрыбуты навакольнага асяроддзя. Праз вычляненне розніцы паміж рэакцыяй паблізу вуглоў і рэакцыяй побач з сярэдзінай сцяны было выдзелена падмноства клетак EBC (n = 16; 9,4%), якія праяўляюць падвышаную рэакцыю на куты.
Такім чынам можна зрабіць прамежкавую выснову, што менавіта клеткі EBC выдатна рэагуюць на перыметр камеры, гэта значыць на сцены тэставай камеры і на яе куты.
Далей навукоўцы праверылі, ці з'яўляецца рэакцыя клетак EBC на адчыненую прастору (тэставая арэна без лабірынта, т.е. проста 4 сцены) аднолькавай пры розных варыянтах пляца тэставага памяшкання. Было праведзена 3 заходы, у кожным з якіх даўжыня сцен адрознівалася ад папярэдніх на 50 гл.
Незалежна ад памераў тэставай камеры EBC рэагавалі на яе межы на аднолькавай адлегласці і арыентацыі адносна паддоследнага. Гэта паказвае на адсутнасць маштабавання рэакцыі ў залежнасці ад памеру навакольнага асяроддзя.
Выява №3: стабільная рэакцыя клетак EBC на межы прасторы.
Тлумачэнні да выявы №3:а - Эгацэнтрычныя карты EBC пры нармальных умовах (злева) і пры павароце тэставай камеры на 45 ° (справа);
b - эгацэнтрычныя карты EBC для камеры памерам 1.25 х 1.25 м (злева) і для павялічанай камеры 1.75 х 1.75 м (справа);
с - эгацэнтрычныя карты EBC пры звычайных чорных сценах камеры (злева) і пры ўзорыстых сценах (справа);
d-f - Графікі пераважнай адлегласці (уверсе) і змены пераважнай арыентацыі адносна базавай лініі (унізе).
Паколькі паласатае цела атрымлівае інфармацыю аб навакольным асяроддзі ад некалькіх абласцей глядзельнай кары мозгу, навукоўцы таксама праверылі, ці ўплывае вонкавы выгляд сцен (3с) камеры на рэакцыю клетак EBC.
Змена вонкавага выгляду меж прасторы ніяк не паўплывала на рэакцыю клетак EBC і на неабходную для рэакцыі адлегласць і арыентацыю адносна паддоследнага.
Выява №4: стабільнасць рэакцыі клетак EBC незалежна ад навакольнага асяроддзя.
Тлумачэнні да выявы №4:а — эгацэнтрычныя карты для EBC у знаёмым (злева) і новым (справа) асяроддзі;
b - эгацэнтрычныя карты для EBC, атрыманыя ў аднолькавым асяроддзі, але з часовым прамежкам;
с - Графікі пераважнай адлегласці (уверсе) і змены пераважнай арыентацыі адносна базавай лініі (унізе) для новых (незнаёмым) асяроддзяў;
d - Графікі пераважнай адлегласці (уверсе) і змены пераважнай арыентацыі адносна базавай лініі (унізе) для вывучаных раней (знаёмым) асяроддзяў.
Таксама было ўстаноўлена, што рэакцыя клетак EBC, як і неабходная для гэтага арыентацыя і адлегласць адносна паддоследнага, не мяняюцца з цягам часу.
Аднак гэты "часавы" тэст праводзіўся ў адной і той жа тэставай камеры. Неабходна было таксама праверыць якая розніца паміж рэакцыяй EBC на вядомыя ўмовы і на новыя. Для гэтага было праведзена некалькі заходаў, калі пацукі вывучалі камеру, якую ўжо ведаюць з папярэдніх тэстаў, а следам - новыя камеры з адкрытай прасторай.
Як вы ўжо здагадаліся, рэакцыя клетак EBC + патрэбная арыентацыя/адлегласць засталіся нязменнымі ў новых камерах (4a, 4c).
Такім чынам, рэакцыя EBC забяспечвае стабільнае ўяўленне межаў навакольнага асяроддзя адносна паддоследнага ва ўсіх тыпах гэтага асяроддзя, па-за залежнасцю ад вонкавага выгляду сцен, пляцы тэставай камеры, яе перасоўванні і чакай, праведзенага паддоследным у камеры.
Для больш дэталёвага азнаямлення з нюансамі даследавання рэкамендую зазірнуць у и да яго.
Эпілог
У дадзенай працы навукоўцам атрымалася на практыку пацвердзіць тэорыю аб эгацэнтрычным уяўленні навакольнага асяроддзя, што вельмі важна для арыентавання ў прасторы. Імі было даказана, што паміж алоцентрическим прасторавым уяўленнем і фактычным дзеяннем ёсць прамежкавы працэс, у якім удзельнічаюць пэўныя клеткі паласатага цела, названыя клеткамі эгацэнтрычных межаў (EBC). Таксама было ўстаноўлена, што EBC больш звязаныя з кіраваннем рухам усяго цела, а не толькі галовы паддоследных.
Гэта даследаванне было накіравана на вызначэнне поўнага механізму арыентацыі ў прасторы, усіх яго складнікаў і зменных. Гэтая праца, па словах навукоўцаў, у далейшым дапаможа ўдасканаліць тэхналогіі навігацыі для аўтаномных аўтамабіляў і для робатаў, якія змогуць разумець прастору вакол іх, бо гэта які робіцца мы. Даследнікі вельмі рады вынікам сваёй працы, якія даюць падставы працягнуць вывучаць узаемасувязь паміж вызначанымі ўчасткамі мозгу і тым, як ажыццяўляецца рух у прасторы.
Дзякую за ўвагу, заставайцеся цікаўнымі і добрай усім працоўнага тыдня, хлопцы! 🙂
Дзякуй, што застаяцеся з намі. Вам падабаюцца нашыя артыкулы? Жадаеце бачыць больш цікавых матэрыялаў? Падтрымайце нас аформіўшы замову або парэкамендаваўшы знаёмым, 30% зніжка для карыстальнікаў Хабра на ўнікальны аналаг entry-level сервераў, які быў прыдуманы намі для Вас: (даступныя варыянты з RAID1 і RAID10, да 24 ядраў і да 40GB DDR4).
Dell R730xd у 2 разы танней? Толькі ў нас у Нідэрландах! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – ад $99! Чытайце аб тым
Крыніца: habr.com