Движението е живот. Тази фраза може да се интерпретира и като мотивация да се движим напред, да не стоим на едно място и да постигаме желанията си, и като констатация на факта, че почти всички живи същества прекарват по-голямата част от живота си в движение. За да не завършват нашите движения и перемещения в пространството всякога с ударена глава и наранени пръсти на краката, нашият мозък използва запазени "карти" на околната среда, които неосъзнато изникват в момента на движението ни. Въпреки това, има мнение, че мозъкът прилага тези карти не отстрани, така да се каже, а поставяйки човека на тази карта и събирайки данни при гледка от първо лице. Това е теория, която решиха да докажат учени от Бостонския университет, провеждайки серия практични експерименти с лабораторни плъхове. Как всъщност мозъкът се ориентира в пространството, какви клетки участват в този процес и каква роля играе това изследване за бъдещето на автономните автомобили и роботи? За това ще научим от доклада на изследователската група. Да започваме.
Основата на изследването
И така, фактът, установен преди много години, е, че основната част от мозъка, отговаряща за ориентацията в пространството, е хипокампусът.
Хипокампусът участва в различни процеси: формиране на емоции, преобразуване на краткосрочната памет в дългосрочна и формиране на пространствена памет. Именно последното е източникът на тези "карти", които нашият мозък извиква в подходящия момент за по-ефективна ориентация в пространството. С други думи, в хипокампуса се съхраняват триизмерни невронни модели на пространството, в което се намира собственикът на мозъка.
Хипокампус
Съществува теория, която твърди, че между фактическата навигация и картите от хипокампуса има междинен етап — преобразуване на тези карти в гледка от първо лице. Тоест човекът се опитва да разбере къде е разположено нещо, не общо (както виждаме на истинските карти), а къде ще бъде разположено нещо относително спрямо него самия (както функцията "Street View" в Google Maps).
Авторите на разглеждания от нас труд подчертават следното: Когнитивните карти на околната среда се кодирани в хипокампално образувание в алоцентрична система, но моториката (самите движения) е представена в егоцентрична система.
UFO: Enemy Unknown (алоцентрична система) и DOOM (егоцентрична система).
Разликата между алоцентричната и егоцентричната системи напомня разликата между игри от трето лице (или от страничен, горен и т.н. изглед) и игри от първо лице. В първия случай за нас е важно самото околно пространство, а във втория — нашата позиция спрямо това пространство. Така че, алоцентричните навигационни планове трябва да бъдат преобразувани в егоцентрична система за фактическа реализация, т.е. за движение в пространството.
Изследователите считат, че именно дорсомедиалният стриатум (DMS)* играе важна роля в по-гореописания процес.
Полосатото тяло на човешкия мозък.
Стриатум* е част от мозъка, която принадлежи на базалните ядра; стриатумът участва в регулирането на мускулния тонус, вътрешните органи и поведенческите реакции; стриатумът също така се нарича „полосато тяло“ поради структурата си, състояща се от редуващи се ивици сиво и бяло вещество.
DMS показва невронни отговори, свързани с вземането на решения и изпълнението на действия относно навигацията в пространството, затова е необходимо този участък от мозъка да бъде проучен по-подробно.
Резултати от изследването
За да се определи наличието/отсъствието на егоцентрична пространствена информация в полосатото тяло (DMS), на 4 мъжки плъха са имплантирани до 16 тетроди (специални електроди, свързващи се с нужните участъци на мозъка), насочени към DMS (1а).
Изображение №1: реакция на клетките на полосатото тяло на границите на околната среда в егоцентрична система.
Пояснения към изображение №1:а — точки на разположение на тетродите;
b — егоцентрична карта на границите;
с — алоцентрични пространствени карти (4 квадрата вляво), графики на траекториите с цветова кодировка на местоположенията на пиковете на реакция на клетките спрямо позицията на тялото и егоцентрични карти (4 квадрата вдясно) на базата на реакцията на клетките EBC при различни ориентации и разстоянието между плъха и стената;
d — както и на 1с, но за EBC с предпочитани разстояния, отдалечени от животното;
e — както и на 1с, но за двата обратни EBC;
f — разпределение на средната резултантна дължина за наблюдаваните клетки;
g — разпределение на средната резултантна дължина за EBC, използвайки посоката на движение и посоката на главата;
h — разпределение на средния отговор на клетките (всички и EBC).
Бяха проведени 44 експеримента, при които плъховете събираха случайно разпиляна храна в позната им среда (отворена, не в лабиринт). В резултат бяха регистрирани 939 клетки. От събраните данни беше установено наличието на 31 клетки с посока на главата (HDC), обаче само малка част от клетките, а именно 19, имаха алоцентристки пространствени корелати. Активността на тези клетки, ограничена в периметъра на околната среда, се наблюдаваше само по време на движението на плъха покрай стените на тестовата камера, което предполага егонетрично кодиране на границите на пространството.
За оценка на възможностите на такова егонетрично представяне на базата на пикова активност на клетките бяха създадени егонетрични карти на границите (1b), които илюстрират ориентацията и разстоянието на границите относно посоката на движение на плъха, а не положението на главата му (сравнение на 1g).
18% от регистрираните клетки (171 от 939) демонстрираха значителен отговор, когато границата на камерата заемаше определено положение и ориентация спрямо подопитния (1f). Учените ги нарекоха клетки на егонетрични граници (EBC — egocentric boundary cells). Броят на такива клетки при подопитните беше от 15 до 70, със среден показател 42.75 (1c, 1d).
Сред клетките на егонетричните граници имаше такива, чиито активности намаляваха в отговор на границите на камерата. Общият брой на тези клетки беше 49 и ги нарекоха обратни EBC (iEBC). Средният показател за реакция на клетките (их потенциала на действие) при EBC и iEBC беше достатъчно нисък — 1.26 ± 0.09 Hz (1h).
Популацията от клетки EBC реагира на всички варианти на ориентация и положение на границата на камерата спрямо подопитния, но разпределението на предпочитаната ориентация е бимодално с върхове, разположени на 180° един срещу друг от двете страни на животното (-68° и 112°), леко изместено от перпендикуляра към дългата ос на животното с 22° (2d).
Изображение №2: предпочитана ориентация и разстояние за отговора на егонетричните клетки на границите (EBC).
Обяснения към изображение №2:a — егоцентрични карти на границите за четирите едновременни изследвани EBC с различни предпочитани ориентации, посочени над всяка графика;
b — разположение на тетродите в съответствие с клетките от 2а (числата показват номера на тетродите);
с — разпределение на вероятностите за предпочитани ориентации за всички EBC на една плъх;
d — разпределение на вероятностите за предпочитани ориентации за EBC на всички плъхове;
е — разположение на тетродите за клетките, показани на 2f;
f — егоцентрични карти на границите за шест едновременни записани EBC с различни предпочитани разстояния, посочени над всяка графика;
g — разпределение на вероятностите за предпочитано разстояние за всички EBC на един плъх;
h — разпределение на вероятностите за предпочитано разстояние за EBC на всички плъхове;
i — полярен график на предпочитано разстояние и предпочитана ориентация за всички EBC с размер на пространството, представен с цвят и диаметър на точките.
Разпределението на предпочитано разстояние до границата съдържаше три пика: 6.4, 13.5 и 25.6 см, посочващи наличието на три различни предпочитани разстояния между EBC (2f—2h), което може да е важно за стратегията на иерархичното навигационно търсене. Размерът на рецептивните полета на EBC се увеличаваше в зависимост от предпочитаното разстояние (2i), което показва, че точността на егоцентричното представяне на границите нараства при намаляване на разстоянието между стената и подложката.
Както в предпочитаната ориентация, така и в разстоянието липсваше ясна топография, тъй като активните EBC на подложката с различна ориентация и разстояние спрямо стената се появяваха на един и същи тетрод (2a, 2b, 2e и 2f).
Също така е установено, че EBC стабилно реагират на границите на пространството (стените на камерата) при всякакви варианти на тестовите камери. За да потвърдят, че EBC реагират на локалните граници на камерата, а не на нейните дистанционни характеристики, учените „завъртат“ положението на камерата с 45° и направиха няколко стени черни, което я направи различна от използваната в предишните тестове.
Данните бяха събрани както в обикновена тестова камера, така и в обърната. Независимо от промяната на тестовата камера, всички предпочитани ориентации и разстояния спрямо стените при EBC подопитните останаха непроменени.
Като се има предвид значението на ъглите, беше разгледана и възможността, че EBC уникално кодира тези локални атрибути на околната среда. Чрез извличане на разликата между реакцията в близост до ъглите и реакцията близо до средата на стената, беше изолирано подмножество на клетките EBC (n = 16; 9.4%), които проявяват увеличена реакция на ъглите.
Така може да се направи междинен извод, че именно клетките EBC реагират отлично на периметъра на камерата, т.е. на стените на тестовата камера и на нейните ъгли.
След това учените провериха дали реакцията на клетките EBC на открито пространство (тестова арена без лабиринт, т.е. просто 4 стени) е еднаква при различни варианти на площта на тестовото помещение. Бяха проведени 3 опити, всеки от които имаше различна дължина на стените с 50 см.
Независимо от размерите на тестовата камера, EBC реагираха на нейните граници на едно и също разстояние и ориентация спрямо подопитния. Това показва, че няма мащабиране на реакцията в зависимост от размера на околната среда.
Снимка №3: стабилна реакция на клетките EBC на границите на пространството.
Пояснения към снимка №3:а — егоцентрични карти на EBC при нормални условия (вляво) и при завъртане на тестовата камера на 45° (вдясно);
b — егоцентрични карти на EBC за камера с размери 1.25 х 1.25 м (вляво) и за увеличена камера 1.75 х 1.75 м (вдясно);
с — егоцентрични карти на EBC при обикновени черни стени на камерата (вляво) и при стени с шарка (вдясно);
d—f — графики на предпочитано разстояние (отгоре) и изменение на предпочитаната ориентация спрямо базовата линия (отдолу).
Тъй като ивичестото тяло получава информация за околната среда от няколко области на зрителната кора, учените също провериха влияе ли външният вид на стените (3с) на реакцията на клетките EBC.
Промяната на външния вид на границите на пространството не оказа никакво влияние върху реакцията на клетките EBC и на необходимото разстояние и ориентация за реакция спрямо подопитния.
Снимка №4: стабилност на реакцията на клетките EBC независимо от околната среда.
Обяснения към изображение №4:а — егоцентрични карти за EBC в позната (вляво) и нова (вдясно) среда;
b — егоцентрични карти за EBC, получени в една и съща среда, но с времеви интервал;
с — графики на предпочитано разстояние (отгоре) и промяна на предпочитаната ориентация спрямо базовата линия (отдолу) за нови (непознати) среди;
d — графики на предпочитано разстояние (отгоре) и промяна на предпочитаната ориентация спрямо базовата линия (отдолу) за изучени преди това (познати) среди.
Също така беше установено, че реакцията на клетките EBC, както и необходимата за това ориентация и разстояние спрямо субекта, не се променят с времето.
Въпреки това, този "временен" тест беше проведен в една и съща тестова камера. Необходимо беше също да се провери каква разлика има между реакцията на EBC на известни условия и на нови. За тази цел бяха проведени няколко опита, когато плъховете изследваха камерата, която вече познават от предишни тестове, а след това — нови камери с открито пространство.
Както вече сте предположили, реакцията на клетките EBC + необходимата ориентация/разстояние останаха непроменени в новите камери (4a, 4c).
Така че реакцията на EBC осигурява стабилно представяне на границите на околната среда спрямо субекта в всички типове тази среда, независимо от външния вид на стените, площта на тестовата камера, нейното преместиране и времето, прекарано от субекта в камерата.
За по-подробно запознаване с нюансите на изследването, препоръчвам да се запознаете с и към него.
Епилог
В настоящата работа на учените успяха на практика да потвърдят теорията за егоцентричното представяне на околната среда, което е изключително важно за ориентирането в пространството. Те доказаха, че между алоцентричното пространствено представяне и фактическото действие има междинен процес, в който участват определени клетки от полосатото тяло, наречени клетки на егоцентричните граници (EBC). Също така беше установено, че EBC са повече свързани с управлението на движението на цялото тяло, а не само на главата на субектите.
Тази изследване беше насочено към определяне на пълния механизъм на ориентация в пространството, всички негови компоненти и променливи. Тази работа, според учените, в бъдеще ще помогне за усъвършенстване на навигационните технологии за автономни автомобили и за роботи, които ще могат да разбират пространството около тях, както го правим ние. Изследователите са изключително доволни от резултатите на своя труд, които дават основания да продължат да изучават взаимовръзките между определени участъци на мозъка и начина, по който се извършва навигацията в пространството.
Благодаря за вниманието, оставайте любопитни и желая на всички успешна работна седмица, приятели! 🙂
Благодарим ви, че останахте с нас. Харесват ли ви нашите статии? Искате ли да видите повече интересни материали? Подкрепете ни, като направите поръчка или ни препоръчате на познати. 30% отстъпка за потребителите на Хабра на уникален аналог на entry-level сървъри, който създадохме специално за вас: (с налични опции за RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).
Dell R730xd на половин цена? Всичко това само при нас в Нидерландия! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от 99 $! Чете се за това
Източник: habr.com
