Bevægelse er liv. Denne sætning kan tolkes både som en motivation for at bevæge sig fremad, ikke stå stille og nå sine mål, og som en konstatering af, at stort set alle levende væsener i de fleste af deres liv er i bevægelse. For at sikre, at vores bevægelser og forflytninger i rummet ikke hver gang ender med buler i panden og brækkede småtæer, bruger vores hjerne gemte "kort" over omgivelserne, som ubevidst dukker op i det øjeblik, vi bevæger os. Der er dog en opfattelse, at hjernen ikke blot anvender disse kort udefra, men placerer personen på dette kort og indsamler data fra et førstehåndsperspektiv. Forskere fra Boston Universitet besluttede at bevise denne teori ved at udføre en række praktiske eksperimenter med laboratorierotter. Hvordan orienterer hjernen sig i rummet, hvilke celler er involveret, og hvilken rolle spiller denne forskning for fremtidige selvkørende biler og robotter? Det vil vi lære mere om fra forskergruppens rapport. Lad os komme i gang.
Basis for undersøgelsen
Således er det godt etableret, at den del af hjernen, som primært er ansvarlig for rumlig orientering, er hippocampus.
Hippocampus deltager i en række forskellige processer: dannelse af emotioner, omdannelse af korttidshukommelse til langtidshukommelse og dannelsen af rumlig hukommelse. Det er netop den sidste, der er kilden til de såkaldte "kort", som vores hjerne, når det er nødvendigt, trækker frem for at kunne orientere sig mere effektivt i rummet. Med andre ord opbevares der tredimensionale neurale modeller af det rum, hvor ejerens hjerne befinder sig, i hippocampus.
Hippocampus
Der findes en teori, der hævder, at der er et mellemlag mellem den faktiske navigation og kortene fra hippocampus — omdannelsen af disse kort til et førstehåndsperspektiv. Det vil sige, at mennesket forsøger at forstå, hvor tingene er placeret, ikke generelt (som vi ser på rigtige kort), men hvor de vil være i forhold til sig selv (som funktionen "street view" i Google Maps).
Forfatterne af det beskrevne arbejde understreger følgende: Kognitive kort over omgivelserne kodes i hippocampusformationen i et allocentrisk system, mens motorikken (selve bevægelserne) præsenteres i et egocentrisk system.
UFO: Enemy Unknown (allocentrisk system) og DOOM (egocentrisk system).
Forskellen mellem allocentriske og egocentriske systemer minder om forskellen mellem tredjepersons spil (eller side-, topudsigts osv.) og førstepersons spil. I det første tilfælde er det selve miljøet, der er vigtigt for os, mens det i det andet er vores position i forhold til dette miljø. Således skal allocentriske navigationsplaner omdannes til et egocentrisk system for faktisk at kunne implementeres, dvs. at bevæge sig i rummet.
Forskere mener, at det dorsomediale striatum (DMS)* spiller en vigtig rolle i den ovenfor beskrevne proces.
Det stribede legeme i menneskets hjerne.
Striatum* er den del af hjernen, der tilhører de basale kerner; striatum deltager i regulaeringen af muskeltonus, indre organer og adfærdsreaktioner; striatum kaldes også "det stribede legeme" på grund af sin struktur af vekslende striber af grå og hvid substans.
DMS viser neurale svar relateret til beslutningstagning og udførelse af handlinger i forhold til navigation i rummet, derfor bør dette område af hjernen undersøges nærmere.
Resultaterne af undersøgelsen
For at bestemme tilstedeværelsen/ fraværet af egocentrisk ruminformation i det stribede legeme (DMS), blev 4 hankråer implanteret med op til 16 tetroder (specialiserede elektroder, der forbindes til de relevante dele af hjernen), målrettet mod DMS (1a).
Billede nr. 1: cellernes reaktion i det stribede legeme på grænserne i et egocentrisk koordinatsystem.
Forklaringer til billede nr. 1:a — placering af tetroder;
b — egocentrisk kort over grænserne;
med — allocentriske rumlige kort (4 kvadrater til venstre), grafer over bevægelsesmønstre med farvekodede placeringer af celreaktionstoppe i forhold til kroppens position og egocentriske kort (4 kvadrater til højre) baseret på EBC-cellernes reaktion ved forskellige orienteringer og afstande mellem råttet og væggen;
d — som også i 1C, men for EBC med præfererede afstande væk fra dyret;
e — som også i 1C, men for to omvendte EBC;
f — fordelingen af den gennemsnitlige resulterende længde for de observerede celler;
g — fordelingen af den gennemsnitlige resulterende længde for EBC ved brug af bevægelsesretning og hovedretning;
h — fordelingen af den gennemsnitlige respons på cellerne (alle og EBC).
Der blev udført 44 eksperimenter, hvor rotter samlede tilfældigt spredt mad i et velkendt rum (åbent, ikke i en labyrint). Som resultat blev 939 celler registreret. Af de indsamlede data blev der identificeret 31 celler med hovedretning (HDC), men kun en lille del af cellerne, nemlig 19, havde allocentriske rumlige korrelater. Desuden blev aktiviteten af disse celler, begrænset til miljøets grænse, kun observeret, når rotten bevægede sig langs væggene i testkammeret, hvilket antyder en egocentrisk kodningsskema for rumgrænser.
For at vurdere mulighederne for en sådan egocentrisk repræsentation baseret på topaktivitetskriterierne blev der oprettet egocentriske kort over grænserne (1b), der illustrerer orienteringen og afstanden af grænserne i forhold til rotten's bevægelsesretning, i stedet for positionen af dens hoved (sammenligning på 1g).
18% af de registrerede celler (171 ud af 939) viste en betydelig respons, når grænsen for kammeret havde en bestemt position og orientering i forhold til forsøgsdyret (1f). Forskere kaldte dem celler med egocentriske grænser (EBC — egocentric boundary cells). Antallet af sådanne celler hos forsøgsdyrene varierede fra 15 til 70 med et gennemsnit på 42,75 (1c, 1d).
Blandt cellerne med egocentriske grænser var der nogle, hvis aktivitet faldt som reaktion på grænsen af kammeret. I alt var der 49, og de blev kaldt omvendte EBC (iEBC). Det gennemsnitlige reaktionsniveau for cellerne (deres aktionspotentiale) hos EBC og iEBC var ret lavt — 1,26 ± 0,09 Hz (1h).
Populationen af EBC-celler reagerer på alle orienteringer og positioner af grænsen for kammeret i forhold til forsøgsdyret, men fordelingen af præferenceorientering er bimodal med toppe, der er placeret 180° modsat hinanden på begge sider af dyret (-68° og 112°), let forskudt fra den vinkelrette akse til dyrets lange akse med 22° (2d).
Billede nr. 2: præferenceorientering og afstand for responsen af egocentriske grænseceller (EBC).
Forklaring til billede nr. 2:en — egocentriske grænsekort for fire samtidig undersøgte EBC med forskellige præferentielle orienteringer angivet over hver graf;
b — placering af tetroder i henhold til cellerne fra 2a (numrene angiver tetrodesnummeret);
med — sandsynlighedsfordeling af præferentielle orienteringer for alle EBC fra én rotte;
d — sandsynlighedsfordeling af præferentielle orienteringer for EBC fra alle rotter;
e — placering af tetroder for cellerne vist på 2f;
f — egocentriske grænsekort for seks samtidigt indspillede EBC med forskellige præferentielle afstande angivet over hver graf;
g — sandsynlighedsfordeling af præferentielle afstande for alle EBC fra én rotte;
h — sandsynlighedsfordeling af præferentielle afstande for EBC fra alle rotter;
i — polærgraf for præferentielle afstande og orienteringer for alle EBC med størrelsen af pladsen repræsenteret ved farve og diameter af punkterne.
Fordelingen af præferentielle afstande til grænsen havde tre toppe: 6,4, 13,5 og 25,6 cm, hvilket indikerer tilstedeværelsen af tre forskellige præferentielle afstande mellem EBC (2f—2h), som kan være vigtig for strategien for hierarkisk navigationssøgning. Størrelsen af de receptivt felter af EBC blev større afhængigt af den præferentielle afstand (2i), hvilket indikerer en stigning i nøjagtigheden af det egocentriske repræsentation af grænserne, når afstanden mellem væggen og forsøgsdyret mindskes.
Både ved den præferentielle orientering og afstand var der ingen klar topografi, da de aktive EBC fra forsøgsdyret med forskellige orienteringer og afstande i forhold til væggen dukkede op på den samme tetrode (2a, 2b, 2e og 2f).
Det blev også bekræftet, at EBC stabilt reagerer på rummets grænser (væggene i kameraet) i alle varianter af testkamre. For at bekræfte, at EBC reagerer på de lokale grænser i kameraet og ikke på dets distale karakteristika, "drejede" forskerne kameraets position med 45° og malede nogle vægge sorte, hvilket gjorde det forskelligt fra det brugte i tidligere tests.
Data was collected both in a regular testing chamber and when rotated. Despite the change in the testing chamber, all preferred orientations and distances relative to the walls for EBC subjects remained the same.
Considering the significance of the angles, the possibility that EBC uniquely encodes these local environmental attributes was also examined. By isolating the difference between responses near the corners and responses near the middle of the wall, a subset of EBC cells (n = 16; 9.4%) was identified that showed increased response to the corners.
Thus, a preliminary conclusion can be made that EBC cells react well to the perimeter of the chamber, namely to the walls of the testing chamber and its corners.
Furthermore, scientists checked whether the response of EBC cells to open space (testing arena without a maze, i.e., just four walls) was the same at different variations of the testing room's area. Three runs were conducted, each with wall lengths differing from the previous by 50 cm.
Regardless of the size of the testing chamber, EBCs responded to its boundaries at the same distance and orientation relative to the subject. This indicates that there is no scaling of the response based on the size of the environment.
Figure 3: Stable response of EBC cells to the boundaries of space.
Explanations for Figure 3:a — egocentric maps of EBC under normal conditions (left) and when the testing chamber was rotated 45° (right);
b — egocentric maps of EBC for a chamber sized 1.25 x 1.25 m (left) and for an enlarged chamber of 1.75 x 1.75 m (right);
med — egocentric maps of EBC with regular black walls of the chamber (left) and with patterned walls (right);
d—f — graphs of preferred distance (top) and changes in preferred orientation relative to the baseline (bottom).
Since the striped body receives information about the environment from several areas of the visual cortex, scientists also checked whether the appearance of the walls (3c) of the chamber influences the response of EBC cells.
Changes in the appearance of the boundaries of the space did not affect the response of EBC cells and the necessary distance and orientation for the response relative to the subject.
Figure 4: Stability of EBC cells' responses regardless of the environment.
Forklaring til billede nr. 4:a — egocentriske kort til EBC i kendte (til venstre) og nye (til højre) miljøer;
b — egocentriske kort til EBC, opnået i det samme miljø, men med tidsinterval;
med — grafer over foretrukket afstand (øverst) og ændring af foretrukken orientering i forhold til basislinjen (nederst) for nye (ukendte) miljøer;
d — grafer over foretrukket afstand (øverst) og ændring af foretrukken orientering i forhold til basislinjen (nederst) for tidligere kendte (kendte) miljøer.
Det blev også fundet, at EBC-cellernes reaktion, ligesom den nødvendige orientering og afstand i forhold til testpersonen, ikke ændres over tid.
Men denne 'tids' test blev udført i det samme testkammer. Det var også nødvendigt at kontrollere, hvad forskellen var mellem EBC's reaktion på kendte forhold og på nye. Dette blev gjort ved at gennemføre flere forsøg, hvor rotterne udforskede kammeret, som de allerede kendte fra tidligere tests, efterfulgt af nye kamre med åbent rum.
Som du måske har gjettet, forblev EBC-cellernes reaktion + den nødvendige orientering/afstand uændret i de nye kamre (4a, 4c).
Dermed sikrer EBC's reaktion en stabil repræsentation af grænserne for det omkringliggende miljø i forhold til testpersonen i alle typer af dette miljø, uanset væggenes udseende, arealet af testkammeret, dets bevægelse og tiden, testpersonen tilbragte i kammeret.
For mere detaljeret information om nuancerne i undersøgelsen anbefaler jeg at kigge i og til det.
Epilog
I dette arbejde lykkedes det forskerne praktisk at bekræfte teorien om egocentrisk repræsentation af det omkringliggende miljø, hvilket er ekstremt vigtigt for navigation i rummet. De har bevist, at der er en mellemproces mellem allocentrisk rumlig repræsentation og den faktiske handling, som involverer bestemte celler i striatum kaldet ego-centrede grænse-celler (EBC). Det blev også fastslået, at EBC primært er relateret til styring af hele kroppens bevægelser, og ikke kun hovedets bevægelser hos forsøgspersonerne.
Denne undersøgelse havde til formål at identificere den fulde mekanisme for rumorientering, alle dens komponenter og variable. Dette arbejde vil, ifølge forskerne, hjælpe med at forbedre navigeringsteknologier for autonome biler og for robotter, der vil kunne forstå deres omgivelser, som vi gør. Forskerne er ekstremt glade for resultaterne af deres arbejde, som giver grundlag for at fortsætte med at undersøge forbindelsen mellem bestemte områder af hjernen og hvordan rumnavigation finder sted.
Tak for opmærksomheden, forbliv nysgerrige og hav en god arbejdsuge, alle sammen! 🙂
Tak fordi du er med os. Kan du lide vores artikler? Vil du se flere interessante materialer? Støt os ved at lave en bestilling eller anbefale os til dine bekendte. 30% rabat til brugere af Habr på en unik entry-level server, som vi har opfundet til dig: (tilgængelige muligheder med RAID1 og RAID10, op til 24 kerner og op til 40 GB DDR4).
Dell R730xd er 2 gange billigere? Kun hos os i Holland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra 99 $! Læs om hvordan
Kilde: habr.com
