Pohyb je život. Tato fráze může být interpretována jako motivace k posunu vpřed, neustálému pohybu a dosažení cíle, ale také jako konstatování, že prakticky všechny živé bytosti tráví většinu svého života v pohybu. Aby naše pohyby a přesuny v prostoru neskončily šrámy na čele a zlomenými palečky, náš mozek využívá uložené „mapy“ okolí, které se nevědomě objeví během našeho pohybu. Existuje však názor, že mozek tyto mapy neaplikuje jakoby z venku, ale umisťuje člověka na tuto mapu a shromažďuje data z pohledu první osoby. Tento názor se rozhodli ověřit vědci z Bostonské univerzity, kteří provedli řadu experimentů s laboratorními krysy. Jak vlastně mozek orientuje v prostoru, jaké buňky jsou při tom zapojeny a jaký význam to má pro budoucí autonomní automobily a roboty? O tom se dočteme ve zprávě výzkumné skupiny. Pojďme na to.
Základ výzkumu
Takže, před lety prokázaná skutečnost je, že hlavní část mozku zodpovědná za orientaci v prostoru je hipokampus.
Hipokampus se podílí na mnoha různých procesech: vytváření emocí, přeměna krátkodobé paměti na dlouhodobou a vytváření prostorové paměti. Právě ta poslední je zdrojem oněch „map“, které náš mozek aktivuje v potřebný okamžik pro efektivnější orientaci v prostoru. Jinými slovy, v hipokampu jsou uloženy trojrozměrné neuronové modely prostoru, uvnitř kterého se nachází majitel mozku.
Hipokampus
Existuje teorie, která tvrdí, že mezi skutečnou navigací a mapami z hipokampu existuje mezistupeň — transformace těchto map na pohled z první osoby. To znamená, že člověk se snaží pochopit, kde se co nachází, ne obecně (jak vidíme na skutečných mapách), ale kde se co nachází vůči němu samému (jak funkce „prohlídka ulic“ na Google Maps).
Autoři zkoumaného díla zdůrazňují následující: Kognitivní mapy okolního prostředí jsou kódovány v hipokampální formaci v allocentrickém systému, zatímco motorika (sama pohyby) je prezentována v egocentrickém systému.
UFO: Enemy Unknown (allocentrický systém) a DOOM (egocentrický systém).
Rozdíl mezi allocentrickým a egocentrickým systémy připomíná rozdíl mezi hrami z třetí osoby (či z bočního, vrchního pohledu atd.) a hrami z pohledu první osoby. V prvním případě je pro nás důležité samo okolí, v druhém — naše umístění vzhledem k tomuto okolí. Allocentrické navigační plány musí být převedeny do egocentrického systému pro aktuální realizaci, tj. pohyb v prostoru.
Výzkumníci se domnívají, že dorzomedialní striatum (DMS)* hraje klíčovou roli v popsaném procesu.
Pruhované tělo lidského mozku.
Striatum* je část mozku, která patří k bazálním jádrům; striatum se podílí na regulaci svalového tonusu, vnitřních orgánů a behaviorálních reakcí; striatum se také nazývá „pruhované tělo“ vzhledem k jeho struktuře, která se skládá z alternativních pásem šedé a bílé hmoty.
DMS demonstruje neuronové odpovědi spojené s rozhodováním a realizací akcí ve vztahu k navigaci v prostoru, proto by tento úsek mozku měl být podrobněji prozkoumán.
Výsledky výzkumu
Aby se určila přítomnost/absentnost egocentrických prostorových informací v pruhovaném těle (DMS), bylo 4 samečkům potkanů implantováno až 16 tetrodů (speciálních elektrod připojených k potřebným částem mozku), cílených na DMS (1a).
Obrázek č. 1: reakce buněk pruhovaného těla na hranice okolního prostředí v egocentrickém systému referencí.
Vysvětlení k obrázku č. 1:Více než 40 000 klientů v 120+ zemích — body umístění tetrodů;
b — egocentrická mapa hranic;
s — allocentrické prostorové mapy (4 čtverce vlevo), grafy trajektorií s barevným kódováním míst reakcí buněk vzhledem k poloze těla a egocentrické mapy (4 čtverce vpravo) na základě reakcí buněk EBC při různých orientacích a vzdálenostech mezi potkanem a stěnou;
– perioda anténní mřížky (vzdálenost mezi sousedními prvky), — stejně jako na 1C, ale pro EBC s preferovanými vzdálenostmi, vzdálenými od zvířete;
e — stejně jako na 1C, ale pro dvě reverzní EBC;
f — rozložení průměrné výsledné délky pro pozorované buňky;
g — rozložení průměrné výsledné délky pro EBC s využitím směru pohybu a směru hlavy;
h — rozložení průměrné reakce buněk (všechny a EBC).
Bylo provedeno 44 pokusů, kdy krysy sbíraly náhodně rozptýlené jídlo ve známém prostoru (otevřeném, nikoli v bludišti). V důsledku toho bylo zaznamenáno 939 buněk. Z nasbíraných dat bylo zjištěno 31 buněk směru hlavy (HDC), avšak pouze malá část buněk, a to přesně 19, měly allocentrické prostorové koreláty. Aktivita těchto buněk, omezená obvodem okolní prostředí, byla pozorována pouze v době, kdy krysa se pohybovala podél stěn testovací kamery, což naznačuje egocentrické schéma kódování hranic prostoru.
Pro hodnocení možností tohoto egocentrického představování na základě vrcholových ukazatelů aktivity buněk byly vytvořeny egocentrické mapy hranic (1b), které ilustrují orientaci a vzdálenost hranic vzhledem k směru pohybu krysy, a nikoliv poloze její hlavy (porovnání na 1g).
18 % ze zaznamenaných buněk (171 z 939) vykazovalo významnou reakci, když hranice kamery zaujímala určitou pozici a orientaci vzhledem k pokusnému subjektu (1f). Vědci je nazvali buňkami egocentrických hranic (EBC — egocentric boundary cells). Počet těchto buněk u pokusných subjektů byl od 15 do 70 s průměrným počtem 42,75 (1c, 1d).
Mezi buňkami egocentrických hranic byly takové, jejichž aktivita se snižovala v reakci na hranice kamery. Celkem jich bylo 49 a nazvali je reverzní EBC (iEBC). Průměrný ukazatel reakce buněk (jejich akční potenciál) u EBC a iEBC byl dost nízký — 1,26 ± 0,09 Hz (1h).
Populace buněk EBC reaguje na všechny varianty orientace a polohy hranice kamery vzhledem k pokusnému subjektu, ale rozložení preferované orientace je bimodální s vrcholy umístěnými 180° naproti sobě na obou stranách zvířete (-68° a 112°), mírně posunuté od kolmé osy dlouhé osy zvířete o 22° (2d).
Obrázek č. 2: preferovaná orientace a vzdálenost pro reakci egocentrických buněk hranic (EBC).
Vysvětlení k obrázku č. 2:a — egocentrické mapy hranic pro čtyři současně zkoumané EBC s různými preferovanými orientacemi uvedenými nad každým grafem;
b — umístění tetrodů podle buněk z 2a (čísla označují číslo tetródu);
s — rozdělení pravděpodobností preferovaných orientací pro všechny EBC jedné krysy;
– perioda anténní mřížky (vzdálenost mezi sousedními prvky), — rozdělení pravděpodobností preferovaných orientací pro EBC všech krys;
e — umístění tetrodů pro buňky, které jsou znázorněny na 2f;
f — egocentrické mapy hranic pro šest současně zaznamenaných EBC s různými preferovanými vzdálenostmi uvedenými nad každým grafem;
g — rozdělení pravděpodobností preferované vzdálenosti pro všechny EBC jedné krysy;
h — rozdělení pravděpodobností preferované vzdálenosti pro EBC všech krys;
i — polární graf preferované vzdálenosti a preferované orientace pro všechny EBC, přičemž velikost prostoru je znázorněna barvou a průměrem bodů.
Rozdělení preferované vzdálenosti k hranici obsahovalo tři vrcholy: 6.4, 13.5 a 25.6 cm, což ukazuje na přítomnost tří různých preferovaných vzdáleností mezi EBC (2f—2h), které mohou být důležité pro strategii hierarchického navigačního hledání. Velikost receptivních polí EBC se zvyšovala v závislosti na preferované vzdálenosti (2i), což naznačuje zvýšení přesnosti egocentrického zobrazení hranic při snižování vzdálenosti mezi zdí a pokusným zvířetem.
Jak v preferované orientaci, tak ve vzdálenosti chyběla jasná topografie, protože aktivní EBC pokusného zvířete s různou orientací a vzdáleností od zdi se objevovaly na stejném tetródu (2a, 2b, 2e a 2f).
Bylo také zjištěno, že EBC stabilně reagují na hranice prostoru (stěny místnosti) ve všech variantách testovacích místností. Aby se potvrdilo, že EBC reagují na lokální hranice místnosti, a ne na její distální rysy, vědci "otočili" umístění místnosti o 45° a udělali několik stěn černými, což ji odlišilo od té, která byla použita v předchozích testech.
Byly shromážděny údaje jak v běžné testovací komoře, tak v otočené. I přes změnu testovací komory zůstaly všechny preferované orientace a vzdálenosti vůči stěnám pro EBC subjektů nezměněny.
Vzhledem k důležitosti úhlů byla také zvažována možnost, že EBC unikátně kóduje tyto místní atributy prostředí. Vytvořením rozdílu mezi reakcí blízko rohů a reakcí uprostřed stěny bylo identifikováno podmnožství buněk EBC (n = 16; 9,4%), které vykazují zesílenou reakci na rohy.
Z toho lze vyvodit předběžný závěr, že právě buňky EBC dobře reagují na perimetr komory, tedy na stěny testovací komory a na její rohy.
Dále vědci zkontrolovali, zda je reakce buněk EBC na otevřený prostor (testovací aréna bez bludiště, tj. pouze 4 stěny) stejná při různých variantách velikosti testovací místnosti. Bylo provedeno 3 průchody, v nichž se délka stěn od předchozích lišila o 50 cm.
Bez ohledu na velikosti testovací komory EBC reagovaly na její hranice ze stejné vzdálenosti a orientace vůči subjektu. To ukazuje na absenci škálování reakce v závislosti na velikosti okolního prostředí.
Obrázek č. 3: stabilní reakce buněk EBC na hranice prostoru.
Vysvětlení k obrázku č. 3:Více než 40 000 klientů v 120+ zemích — egocentrické mapy EBC za normálních podmínek (vlevo) a při otočení testovací komory o 45° (vpravo);
b — egocentrické mapy EBC pro komoru o velikosti 1,25 x 1,25 m (vlevo) a pro zvětšenou komoru 1,75 x 1,75 m (vpravo);
s — egocentrické mapy EBC při běžných černých stěnách komory (vlevo) a při vzorovaných stěnách (vpravo);
– perioda anténní mřížky (vzdálenost mezi sousedními prvky),—f — grafy preferované vzdálenosti (nahoře) a změny preferované orientace vůči základní linii (dole).
Jelikož pruhované tělo získává informace o okolním prostředí z několika oblastí zrakové kůry mozku, vědci také zkoumali, zda vzhled stěn (3s) komory ovlivňuje reakci buněk EBC.
Změna vzhledu hranic prostoru neměla žádný vliv na reakci buněk EBC a na požadovanou vzdálenost a orientaci pro reakci vůči subjektu.
Obrázek č. 4: stabilita reakce buněk EBC nezávisle na okolním prostředí.
Poznámky k obrázku č. 4:Více než 40 000 klientů v 120+ zemích — egocentrické mapy pro EBC ve známém (vlevo) a novém (vpravo) prostředí;
b — egocentrické mapy pro EBC pořízené ve stejné prostředí, ale s časovým odstupem;
s — grafy preferované vzdálenosti (nahoře) a změny preferované orientace vůči základní lince (dole) pro nová (neznámá) prostředí;
– perioda anténní mřížky (vzdálenost mezi sousedními prvky), — grafy preferované vzdálenosti (nahoře) a změny preferované orientace vůči základní lince (dole) pro dříve prozkoumaná (známá) prostředí.
Bylo také zjištěno, že reakce buněk EBC, stejně jako potřebná orientace a vzdálenost vůči subjektu, se v průběhu času nemění.
Tento "časový" test však probíhal ve stejné testovací komoře. Bylo také nutné ověřit, jaký je rozdíl mezi reakcí EBC na známé podmínky a nové. K tomu bylo provedeno několik pokusů, kdy potkani zkoumali komoru, kterou již znají z předchozích testů, a následně nové komory s otevřeným prostorem.
Jak jste již uhodli, reakce buněk EBC + potřebná orientace/vzdálenost zůstaly nezměněny v nových komorách (4a, 4c).
Takže reakce EBC poskytuje stabilní představu hranic okolí vůči subjektu ve všech typech tohoto prostředí, bez ohledu na vzhled stěn, rozlohu testovací komory, její pohyb a čas strávený subjektem v komoře.
Pro podrobnější seznámení se s nuancemi výzkumu doporučuji nahlédnout do a k ní.
Epilog
V této práci se vědcům podařilo v praxi potvrdit teorii o egocentrickém vnímání okolí, což je extrémně důležité pro orientaci v prostoru. Dokázali, že mezi alocentrickým prostorovým vnímáním a skutečnou akcí existuje mezistupeň, v němž se podílejí určité buňky striatálního těla, nazývané buňky egocentrických hranic (EBC). Bylo také zjištěno, že EBC jsou více spojeny s řízením pohybu celého těla, a ne jen hlavy subjektů.
Tato studie byla zaměřena na určení kompletního mechanismu orientace v prostoru, jeho všech složek a proměnných. Tento výzkum, jak uvedli vědci, v budoucnu přispěje k vylepšení navigačních technologií pro autonomní automobily a roboty, které budou schopny chápat prostor kolem sebe, tak jako my. Výzkumníci jsou velmi potěšeni výsledky své práce, které dávají důvod pokračovat ve zkoumání souvislostí mezi určitými oblastmi mozku a tím, jak probíhá navigace v prostoru.
Děkuji za pozornost, zůstávejte zvědaví a přeji všem dobrý pracovní týden, kamarádi! 🙂
Děkujeme, že s námi zůstáváte. Líbí se vám naše články? Chcete vidět více zajímavých materiálů? Podpořte nás objednávkou nebo doporučením známým, 30 % sleva pro uživatele Habra na jedinečný analog entry-level serverů, který jsme pro vás vymysleli: (k dispozici varianty s RAID1 a RAID10, až 24 jader a až 40GB DDR4).
Dell R730xd za polovinu ceny? Jen u nás v Nizozemsku! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — od 99 $! Čtěte o tom
Zdroj: habr.com
