Движението е живот. Тази фраза може да се тълкува както като мотивация да продължите напред, а не да стоите на едно място и да постигнете това, което искате, и като изявление на факта, че почти всички живи същества са в движение през по-голямата част от живота си. За да гарантира, че нашите движения и движения в пространството не завършват всеки път с неравности по челото и счупени малки пръсти на краката ни, мозъкът ни използва запазените „карти“ на околната среда, които несъзнателно изскачат в момента на нашето движение . Има обаче мнение, че мозъкът не прилага тези карти отвън, така да се каже, а като постави човек на тази карта и събира данни, когато се гледа от първо лице. Учени от Бостънския университет решиха да докажат тази теория, като проведоха серия от практически експерименти с лабораторни плъхове. Как всъщност мозъкът се движи в пространството, кои клетки са включени и каква роля играе това изследване за бъдещето на автономните автомобили и роботи? Това научаваме от доклада на изследователската група. Отивам.
Изследователска база
И така, установеният преди много години факт е, че основната част от мозъка, отговорна за ориентацията в пространството, е хипокампусът.
Хипокампусът участва в различни процеси: формиране на емоции, трансформация на краткосрочната памет в дългосрочна памет и формиране на пространствена памет. Именно последното е източникът на самите „карти“, които мозъкът ни извиква в точния момент за по-ефективна ориентация в пространството. С други думи, хипокампусът съхранява триизмерни невронни модели на пространството, в което се намира собственикът на мозъка.
Хипокампус
Има теория, според която има междинна стъпка между истинската навигация и картите от хипокампуса - трансформирането на тези карти в изглед от първо лице. Тоест, човек се опитва да разбере къде се намира нещо не изобщо (както виждаме на реални карти), а къде ще се намира нещо спрямо него (като функцията „изглед на улицата“ в Google Maps).
Авторите на работата, която разглеждаме, подчертават следното: когнитивните карти на околната среда са кодирани в хипокампалната формация в алоцентричната система, но двигателните умения (самите движения) са представени в егоцентричната система.
UFO: Enemy Unknown (алоцентрична система) и DOOM (егоцентрична система).
Разликата между алоцентричните и егоцентричните системи е като разликата между игрите от трето лице (или изглед отстрани, изглед отгоре и т.н.) и игрите от първо лице. В първия случай за нас е важна самата среда, във втория - нашата позиция по отношение на тази среда. По този начин алоцентричните навигационни планове трябва да бъдат превърнати в егоцентрична система за действително изпълнение, т.е. движение в пространството.
Изследователите смятат, че това е дорзомедиалният стриатум (DMS)* играе важна роля в горния процес.
Стриатумът на човешкия мозък.
Стриатум* - част от мозъка, която принадлежи към базалните ганглии; стриатумът участва в регулирането на мускулния тонус, вътрешните органи и поведенческите реакции; Стриатумът се нарича още "стриатум" поради структурата си от редуващи се ивици от сиво и бяло вещество.
DMS демонстрира невронните реакции, свързани с вземането на решения и действията във връзка с пространствената навигация, така че тази област на мозъка трябва да бъде изследвана по-подробно.
Резултати от проучването
За да се определи наличието/отсъствието на егоцентрична пространствена информация в стриатума (DMS), на 4 мъжки плъха бяха имплантирани до 16 тетрода (специални електроди, свързани с желаните области на мозъка), насочени към DMS (1a).
Изображение #1: Отговор на стриатална клетка към границите на околната среда в егоцентрична референтна рамка.
Обяснения за изображение #1:а - точки на разположение на тетродите;
b - егоцентрична карта на границите;
с — алоцентрични пространствени карти (4 квадрата вляво), цветно кодирани графики на траекторията на местоположенията на пиковете на клетъчния отговор спрямо позицията на тялото и егоцентрични карти (4 квадрата вдясно), базирани на реакцията на EBC клетки при различни ориентации и разстояния между плъха и стената;
d - син 1s, но за EBC с предпочитани дистанции от животното;
e - син 1s, но за два обратни EBC;
f — разпределение на средната резултатна дължина за наблюдаваните клетки;
g - разпределението на средната резултатна дължина за EBC, като се използва посоката на движение и посоката на главата;
h — разпределение на средния отговор на клетките (общ и EBC).
Проведени са четиридесет и четири експеримента, когато плъхове събират произволно разпръсната храна в познато за тях пространство (отворено, а не в лабиринт). В резултат на това са записани 44 клетки. От събраните данни е установено наличието на 939 клетки с посока на главата (HDC), но само малка част от клетките, и по-точно 31, имат алоцентрични пространствени корелати. В същото време активността на тези клетки, ограничена от периметъра на околната среда, се наблюдава само по време на движението на плъха по стените на тестовата камера, което предполага егоцентрична схема за кодиране на границите на пространството.
За да се оценят възможностите на такова егоцентрично представяне, на базата на индикатори за пикова клетъчна активност, бяха създадени егоцентрични гранични карти (1b), които илюстрират ориентацията и разстоянието на границите спрямо посоката на движение на плъха, а не позицията на главата му (сравнение с 1g).
18% от уловените клетки (171 от 939) показват значителен отговор, когато границата на камерата заема определена позиция и ориентация спрямо субекта (1f). Учените ги нарекоха егоцентрични гранични клетки (EBC). егоцентрични гранични клетки). Броят на тези клетки в експерименталните субекти варира от 15 до 70 със средно 42.75 (1c, 1d).
Сред клетките на егоцентричните граници имаше такива, чиято активност намаляваше в отговор на границите на камерата. Имаше общо 49 и се наричаха обратни EBC (iEBC). Средният индекс на клетъчния отговор (техния потенциал за действие) при EBC и iEBC е доста нисък - 1,26 ± 0,09 Hz (1h).
Популацията EBC реагира на всички ориентации и позиции на границата на камерата спрямо субекта, но разпределението на предпочитаната ориентация е бимодално с пикове, разположени на 180° един срещу друг от двете страни на животното (-68° и 112°), като леко изместен спрямо перпендикуляра на дългата ос на животното с 22° (2d).
Изображение #2: Предпочитана ориентация и разстояние за отговор на егоцентричната гранична клетка (EBC).
Обяснения за изображение #2:a - егоцентрични гранични карти за четири едновременно изследвани EBC с различни предпочитани ориентации, посочени над всяка графика;
b - позицията на тетродите в съответствие с клетките от 2a (цифрите показват номера на тетрода);
с — вероятностно разпределение на предпочитаните ориентации за всички EBC на един плъх;
d — вероятностно разпределение на предпочитаните ориентации за EBC на всички плъхове;
е - позицията на тетродите за клетките, показани в 2f;
f — егоцентрични гранични карти за шест едновременно записани EBC с различни предпочитани разстояния, посочени над всеки график;
g е вероятностното разпределение на предпочитаното разстояние за всички EBC на един плъх;
h е вероятностното разпределение на предпочитаното разстояние за EBC на всички плъхове;
i - полярна диаграма на предпочитано разстояние и предпочитана ориентация за всички EBC с размер на пространството, представен от цвят и диаметър на точката.
Разпределението на предпочитаното разстояние до границата съдържа три пика: 6.4, 13.5 и 25.6 cm, което показва наличието на три различни предпочитани разстояния между EBC (2f-2h), които може да са важни за стратегия за йерархично навигационно търсене. Размерът на рецептивните полета на EBC се увеличава с предпочитаното разстояние (2i), което показва увеличаване на точността на егоцентричното представяне на границите, тъй като разстоянието между стената и обекта намалява.
Няма ясна топография както в предпочитаната ориентация, така и в разстоянието, тъй като активните EBC на субекта с различни ориентации и разстояния от стената се появяват на един и същ тетрод (2a, 2b, 2e и 2f).
Установено е също, че EBC реагира стабилно на границите на пространството (стените на камерата) във всяка тестова камера. За да потвърдят, че EBC реагират на локалните граници на камерата, а не на дисталните й характеристики, учените „завъртяха“ позицията на камерата с 45° и направиха няколко стени черни, което я прави различна от използваната в предишни тестове.
Данните бяха събрани както в конвенционална тестова камера, така и в ротирана. Въпреки промяната в тестовата камера, всички предпочитани ориентации и разстояния спрямо стените на EBC тестовите субекти остават същите.
Като се има предвид значението на ъглите, беше разгледана и възможността EBC уникално да кодират тези местни екологични атрибути. Чрез изолиране на разликата между отговора близо до ъглите и отговора близо до средата на стената, бяха идентифицирани подмножество от EBC клетки (n = 16; 9,4%), които показват повишен отговор към ъглите.
По този начин можем да направим междинно заключение, че именно EBC клетките реагират перфектно на периметъра на камерата, тоест на стените на тестовата камера и нейните ъгли.
След това учените тестваха дали отговорът на EBC клетките на открито пространство (тестова арена без лабиринт, т.е. само 4 стени) е еднакъв за различните размери на тестовата стая. Направени са три посещения, при всяко от които дължината на стените се различава от предходните с 3 см.
Независимо от размера на тестовата камера, EBC реагира на нейните граници на същото разстояние и ориентация спрямо субекта на теста. Това показва, че отговорът не се мащабира с размера на средата.
Изображение #3: стабилна реакция на EBC клетки към границите на пространството.
Обяснения за изображение #3:а — егоцентрични EBC карти при нормални условия (вляво) и когато изпитвателната камера е завъртяна на 45° (вдясно);
b — егоцентрични EBC карти за камера с размери 1.25 x 1.25 m (вляво) и за увеличена камера 1.75 x 1.75 m (вдясно);
с — егоцентрични EBC карти с обикновени черни стени на камера (вляво) и с шарени стени (вдясно);
d-f - графики на предпочитаното разстояние (отгоре) и промените в предпочитаната ориентация спрямо базовата линия (отдолу).
Тъй като стриатумът получава информация за околната среда от няколко области на зрителния кортекс, учените също така тестваха дали външният вид на стените е засегнат (3s) камери за реакция на EBC клетки.
Промяната на външния вид на границите на пространството няма ефект върху реакцията на EBC клетките и разстоянието и ориентацията, необходими за реакцията спрямо субекта.
Изображение #4: Стабилност на EBC клетъчния отговор независимо от околната среда.
Обяснения за изображение #4:а — егоцентрични карти за EBC в позната (вляво) и нова (вдясно) среда;
b - егоцентрични карти за EBC, получени в същата среда, но с интервал от време;
с - Графики на предпочитано разстояние (отгоре) и промяна на предпочитаната ориентация спрямо базовата линия (отдолу) за нови (непознати) среди;
d - графики на предпочитаното разстояние (отгоре) и промяната в предпочитаната ориентация спрямо базовата линия (отдолу) за предварително проучени (познати) среди.
Установено е също, че отговорът на EBC клетките, както и необходимата ориентация и разстояние спрямо субекта, не се променят с времето.
Този "временен" тест обаче беше проведен в същата тестова камера. Също така беше необходимо да се провери каква е разликата между реакцията на EBC към известни условия и към нови. За целта бяха извършени няколко посещения, когато плъховете изучаваха камерата, която вече познават от предишни тестове, а след това нови камери с отворено пространство.
Както може би се досещате, реакцията на EBC клетките + желаната ориентация/разстояние остава непроменена в новите камери (4a, 4c).
По този начин EBC реакцията осигурява стабилно представяне на границите на околната среда по отношение на изпитвания субект във всички видове на тази среда, независимо от външния вид на стените, площта на тестовата камера, нейното движение и времето, прекарано от изпитвания субект в камерата.
За по-подробно запознаване с нюансите на изследването препоръчвам да разгледате и на него.
Епилог
В тази работа учените успяха да потвърдят на практика теорията за егоцентричното представяне на околната среда, което е изключително важно за ориентацията в пространството. Те доказват, че има междинен процес между алоцентричното пространствено представяне и действителното действие, в който участват определени клетки на стриатума, наречени егоцентрични гранични клетки (EBC). Установено е също, че EBC са по-свързани с контрола на движението на цялото тяло, а не само на главата на субектите.
Това изследване имаше за цел да определи пълния механизъм на ориентация в пространството, всички негови компоненти и променливи. Тази работа, според учените, допълнително ще помогне за подобряване на навигационните технологии за автономни автомобили и за роботи, които могат да разбират пространството около себе си, както правим ние. Изследователите са изключително развълнувани от резултатите от работата си, които дават основание да продължат да изучават връзката между определени области на мозъка и как се навигира пространството.
Благодаря ви за вниманието, бъдете любопитни и желая страхотна седмица на всички! 🙂
Благодарим ви, че останахте с нас. Харесвате ли нашите статии? Искате ли да видите още интересно съдържание? Подкрепете ни, като направите поръчка или препоръчате на приятели, 30% отстъпка за потребителите на Habr за уникален аналог на сървъри от начално ниво, който беше измислен от нас за вас: (предлага се с RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 пъти по-евтин? Само тук в Холандия! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Прочети за
Източник: www.habr.com