Pohyb je život. Tuto frázi lze interpretovat jednak jako motivaci jít vpřed, nezůstat stát na místě a dosáhnout toho, co chcete, jednak jako konstatování skutečnosti, že téměř všechny živé bytosti jsou většinu svého života v pohybu. Abychom zajistili, že naše pohyby a pohyby v prostoru neskončí pokaždé boulemi na čele a zlomenými malíčky na nohou, používá náš mozek uložené „mapy“ prostředí, které se nevědomky vynoří v okamžiku našeho pohybu. . Existuje však názor, že mozek tyto karty neaplikuje takříkajíc zvenčí, ale tak, že na tuto kartu umístí člověka a sbírá data při pohledu z první osoby. Vědci z Bostonské univerzity se rozhodli tuto teorii dokázat provedením série praktických experimentů s laboratorními krysami. Jak se vlastně mozek ve vesmíru pohybuje, které buňky jsou zapojeny a jakou roli hraje tento výzkum pro budoucnost autonomních aut a robotů? O tom se dozvídáme ze zprávy výzkumné skupiny. Jít.
Výzkumná základna
Před mnoha lety se tedy zjistilo, že hlavní částí mozku odpovědnou za orientaci v prostoru je hipokampus.
Hipokampus se účastní různých procesů: utváření emocí, přeměna krátkodobé paměti na dlouhodobou a utváření prostorové paměti. Právě to druhé je zdrojem právě těch „map“, které náš mozek ve správnou chvíli volá pro efektivnější orientaci v prostoru. Jinými slovy, hipokampus uchovává trojrozměrné nervové modely prostoru, uvnitř kterého se nachází majitel mozku.
Hippocampus
Existuje teorie, která tvrdí, že mezi skutečnou navigací a mapami z hipokampu existuje mezistupeň – transformace těchto map do pohledu z první osoby. To znamená, že se člověk snaží pochopit, kde se něco vůbec nenachází (jak vidíme na skutečných mapách), ale kde se něco bude nacházet vzhledem k němu (jako funkce „street view“ v Mapách Google).
Autoři námi zvažované práce zdůrazňují následující: Kognitivní mapy prostředí jsou zakódovány v hipokampální formaci v alocentrickém systému, ale motorika (samotné pohyby) jsou zastoupeny v egocentrickém systému.
UFO: Enemy Unknown (alocentrický systém) a DOOM (egocentrický systém).
Rozdíl mezi alocentrickými a egocentrickými systémy je jako rozdíl mezi hrami třetí osoby (nebo boční pohled, pohled shora atd.) a hrami první osoby. V prvním případě je pro nás důležité samotné prostředí, v druhém naše postavení vůči tomuto prostředí. Alocentrické navigační plány je tedy nutné pro skutečnou realizaci převést na egocentrický systém, tzn. pohyb v prostoru.
Vědci se domnívají, že jde o dorsomediální striatum (DMS)* hraje důležitou roli ve výše uvedeném procesu.
Striatum lidského mozku.
Striatum* - část mozku, která patří do bazálních ganglií; striatum se podílí na regulaci svalového tonu, vnitřních orgánů a behaviorálních reakcí; Striatum se také nazývá „striatum“ kvůli jeho struktuře střídajících se pásů šedé a bílé hmoty.
DMS demonstruje nervové reakce spojené s rozhodováním a akcí ve vztahu k prostorové navigaci, takže tato oblast mozku by měla být studována podrobněji.
Výsledky výzkumu
Za účelem stanovení přítomnosti/nepřítomnosti egocentrické prostorové informace ve striatu (DMS) bylo 4 samcům potkanů implantováno až 16 tetrod (speciálních elektrod připojených k požadovaným oblastem mozku) zaměřených na DMS (1a).
Obrázek č. 1: Reakce striatálních buněk na hranice prostředí v egocentrickém referenčním rámci.
Vysvětlení k obrázku č. 1:а - body umístění tetrod;
b - egocentrická mapa hranic;
с — alocentrické prostorové mapy (4 čtverce vlevo), barevně kódované grafy trajektorií umístění vrcholů buněčné odezvy vzhledem k poloze těla a egocentrické mapy (4 čtverce vpravo) založené na reakci buněk EBC v různých orientacích a vzdálenostech mezi krysa a zeď;
d - syn 1, ale pro EBC s preferovanými vzdálenostmi od zvířete;
e - syn 1, ale pro dva inverzní EBC;
f — rozdělení průměrné výsledné délky pro pozorované buňky;
g - rozdělení průměrné výsledné délky pro EBC pomocí směru pohybu a směru hlavy;
h — rozložení průměrné odezvy buněk (celkové a EBC).
Bylo provedeno 44 experimentů, kdy krysy sbíraly náhodně rozházenou potravu v jim známém prostoru (otevřeném, ne v bludišti). Výsledkem bylo zaznamenáno 939 buněk. Ze shromážděných dat byla zjištěna přítomnost 31 buněk ve směru hlavy (HDC), avšak pouze malá část buněk, přesněji 19, měla alocentrické prostorové koreláty. Aktivita těchto buněk, omezená obvodem prostředí, byla přitom pozorována pouze při pohybu krysy po stěnách testovací komory, což naznačuje egocentrické schéma pro kódování hranic prostoru.
Pro posouzení možností takové egocentrické reprezentace byly na základě indikátorů vrcholové buněčné aktivity vytvořeny egocentrické hraniční mapy (1b), které znázorňují orientaci a vzdálenost hranic vzhledem ke směru pohybu krysy, nikoli polohu její hlavy (srovnání s 1g).
18 % zachycených buněk (171 z 939) vykazovalo významnou odezvu, když hranice komory zaujímala určitou polohu a orientaci vzhledem k subjektu (1f). Vědci je nazývali egocentrické hraniční buňky (EBC). egocentrické hraniční buňky). Počet takových buněk u experimentálních subjektů se pohyboval od 15 do 70 s průměrem 42.75 (1c, 1d).
Mezi buňkami egocentrických hranic byly takové, jejichž aktivita se v reakci na hranice komory snížila. Bylo jich celkem 49 a nazývaly se inverzní EBC (iEBC). Průměrný index buněčné odezvy (jejich akční potenciál) v EBC a iEBC byl poměrně nízký - 1,26 ± 0,09 Hz (1h).
Populace EBC reaguje na všechny orientace a polohy hranice komory vzhledem k subjektu, ale distribuce preferované orientace je bimodální s píky umístěnými 180° proti sobě na každé straně zvířete (-68° a 112°), přičemž mírně posunuto od kolmice k dlouhé ose zvířete o 22° (2d).
Obrázek č. 2: Preferovaná orientace a rozestupy pro odezvu egocentrické hraniční buňky (EBC).
Vysvětlení k obrázku č. 2:a - egocentrické hraniční mapy pro čtyři současně studované EBC s různými preferovanými orientacemi uvedenými nad každým grafem;
b - poloha tetrod v souladu s články z 2a (čísla označují číslo tetrody);
с — rozdělení pravděpodobnosti preferovaných orientací pro všechny EBC jedné krysy;
d — rozdělení pravděpodobnosti preferovaných orientací pro EBC všech krys;
е - poloha tetrod pro články zobrazené v 2f;
f — egocentrické hraniční mapy pro šest současně zaznamenaných EBC s různými preferovanými vzdálenostmi uvedenými nad každým grafem;
g je rozdělení pravděpodobnosti preferované vzdálenosti pro všechny EBC jedné krysy;
h je rozdělení pravděpodobnosti preferované vzdálenosti pro EBC všech krys;
i - polární graf preferované vzdálenosti a preferované orientace pro všechny EBC s velikostí prostoru reprezentovanou barvou a průměrem bodu.
Rozložení preferované vzdálenosti k hranici obsahovalo tři píky: 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 vyhledávání. Velikost EBC receptivních polí rostla s preferovanou vzdáleností (2i), což ukazuje na zvýšení přesnosti egocentrické reprezentace hranic, když se vzdálenost mezi zdí a subjektem zmenšuje.
Nebyla jasná topografie jak v preferované orientaci, tak ve vzdálenosti, protože aktivní EBC subjektu s různými orientacemi a vzdálenostmi od stěny se objevily na stejné tetrodě (2a, 2b, 2e и 2f).
Bylo také zjištěno, že EBC stabilně reagují na hranice prostoru (stěny komory) v jakýchkoliv testovacích komorách. Aby se potvrdilo, že EBC reagují spíše na místní hranice komory než na její distální rysy, vědci „otočili“ polohu kamery o 45° a zčernali několik stěn, čímž se lišili od těch, které byly použity v předchozích testech.
Data byla sbírána jak v konvenční testovací komoře, tak v rotační komoře. Navzdory změně testovací komory zůstaly všechny preferované orientace a vzdálenosti vzhledem ke stěnám testovaných subjektů EBC stejné.
Vzhledem k důležitosti úhlů byla také zvažována možnost, že EBC jedinečně kódují tyto místní environmentální atributy. Izolací rozdílu mezi odpovědí blízko rohů a odpovědí blízko středu stěny byla identifikována podskupina buněk EBC (n = 16; 9,4 %), které vykazují zvýšenou odpověď na rohy.
Můžeme tedy učinit mezizávěr, že právě buňky EBC dokonale reagují na obvod komory, tedy na stěny zkušební komory a její rohy.
Dále vědci testovali, zda je reakce buněk EBC na otevřený prostor (testovací aréna bez bludiště, tedy jen 4 stěny) stejná pro různé velikosti testovací místnosti. Byly provedeny tři návštěvy, u každé se délka stěn lišila od předchozích o 3 cm.
Bez ohledu na velikost testovací komory reagovala EBC na její hranice ve stejné vzdálenosti a orientaci vzhledem k testovanému subjektu. To znamená, že odezva se neškáluje s velikostí prostředí.
Obrázek č. 3: stabilní reakce buněk EBC na hranice prostoru.
Vysvětlení k obrázku č. 3:а — egocentrické mapy EBC za normálních podmínek (vlevo) a když byla zkušební komora otočena o 45° (vpravo);
b — egocentrické mapy EBC pro komoru o rozměrech 1.25 x 1.25 m (vlevo) a pro zvětšenou komoru 1.75 x 1.75 m (vpravo);
с — egocentrické mapy EBC s obyčejnými černými stěnami komory (vlevo) a se vzorovanými stěnami (vpravo);
d-f - grafy preferované vzdálenosti (nahoře) a změn preferované orientace vzhledem k základní čáře (dole).
Protože striatum dostává informace o prostředí z několika oblastí zrakové kůry, vědci také testovali, zda je ovlivněn vzhled stěn (3) komory pro reakci buněk EBC.
Změna vzhledu hranic prostoru neměla žádný vliv na reakci buněk EBC a vzdálenost a orientaci požadovanou pro reakci vzhledem k subjektu.
Obrázek č. 4: Stabilita reakce buněk EBC bez ohledu na prostředí.
Vysvětlení k obrázku č. 4:а — egocentrické mapy pro EBC ve známých (vlevo) a nových (vpravo) prostředích;
b - egocentrické mapy pro EBC získané ve stejném prostředí, ale s časovým odstupem;
с - Grafy preferované vzdálenosti (nahoře) a změny preferované orientace vzhledem k základní linii (dole) pro nová (neznámá) prostředí;
d - grafy preferované vzdálenosti (nahoře) a změny preferované orientace vzhledem k základní linii (dole) pro dříve studovaná (známá) prostředí.
Bylo také zjištěno, že reakce buněk EBC, stejně jako požadovaná orientace a vzdálenost vzhledem k subjektu, se v průběhu času nemění.
Tento „dočasný“ test byl však proveden ve stejné zkušební komoře. Bylo také nutné ověřit, jaký je rozdíl mezi reakcí EBC na známé podmínky a na nové. K tomu bylo provedeno několik návštěv, kdy potkani studovali komoru, kterou již znají z předchozích testů, a poté nové komory s otevřeným prostorem.
Jak jste možná uhodli, odezva buněk EBC + požadovaná orientace/vzdálenost zůstala v nových komůrkách nezměněna (4a, 4c).
Reakce EBC tak poskytuje stabilní reprezentaci hranic prostředí vzhledem k testovanému subjektu ve všech typech tohoto prostředí, bez ohledu na vzhled stěn, plochu testovací komory, její pohyb a čas strávený testovaným subjektem v komoře.
Pro podrobnější seznámení s nuancemi studie doporučuji nahlédnout и jemu.
Epilog
V této práci se vědcům podařilo v praxi potvrdit teorii o egocentrické reprezentaci prostředí, která je pro orientaci v prostoru nesmírně důležitá. Dokázali, že mezi alocentrickou prostorovou reprezentací a aktuální akcí existuje přechodný proces, kterého se účastní určité buňky striata, nazývané egocentrické hraniční buňky (EBC). Bylo také zjištěno, že EBC souvisely spíše s kontrolou pohybu celého těla, a ne pouze hlavy subjektů.
Tato studie byla zaměřena na určení úplného mechanismu orientace v prostoru, všech jeho složek a proměnných. Tato práce podle vědců dále pomůže vylepšit navigační technologie pro autonomní auta a pro roboty, kteří dokážou porozumět prostoru kolem sebe, jako my. Vědci jsou extrémně nadšeni z výsledků své práce, které dávají důvod pokračovat ve studiu vztahu mezi určitými oblastmi mozku a tím, jak se prostor naviguje.
Děkuji za pozornost, buďte zvědaví a přeji všem krásný týden! 🙂
Děkujeme, že s námi zůstáváte. Líbí se vám naše články? Chcete vidět více zajímavého obsahu? Podpořte nás objednávkou nebo doporučením přátelům, 30% sleva pro uživatele Habr na unikátní obdobu entry-level serverů, kterou jsme pro vás vymysleli: (k dispozici s RAID1 a RAID10, až 24 jader a až 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2x levnější? Pouze zde V Nizozemsku! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB – od 99 $! Číst o
Zdroj: www.habr.com