Bevægelse er liv. Denne sætning kan både tolkes som en motivation til at komme videre, ikke at stå stille og opnå det, man ønsker, og som en erklæring om, at næsten alle levende væsener tilbringer det meste af deres liv i bevægelse. For at sikre, at vores bevægelser og bevægelser i rummet ikke ender med bump på vores pande og brækkede småtæer hver gang, bruger vores hjerne lagrede "kort" over omgivelserne, der ubevidst dukker op i bevægelsesøjeblikket. Der er dog en opfattelse af, at hjernen ikke bruger disse kort udefra, så at sige, men ved at placere en person på dette kort og indsamle data fra en førstepersonsvisning. Forskere fra Boston University besluttede at bevise denne teori ved at udføre en række praktiske eksperimenter med laboratorierotter. Hvordan navigerer hjernen egentlig i rummet, hvilke celler er involveret, og hvilken rolle spiller denne forskning for fremtiden for autonome biler og robotter? Det lærer vi fra forskningsgruppens rapport. Gå.
Forskningsgrundlag
Så det faktum, der blev fastslået for mange år siden, er, at hoveddelen af hjernen, der er ansvarlig for orientering i rummet, er hippocampus.
Hippocampus er involveret i en række forskellige processer: dannelsen af følelser, transformationen af korttidshukommelsen til langtidshukommelsen og dannelsen af rumlig hukommelse. Det er sidstnævnte, der er kilden til netop de "kort", som vores hjerne kalder frem på det rigtige tidspunkt for mere effektiv orientering i rummet. Med andre ord lagrer hippocampus tredimensionelle neurale modeller af det rum, hvori ejeren af hjernen er placeret.
Hippocampus
Der er en teori, der siger, at mellem faktisk navigation og kort fra hippocampus er der et mellemtrin - at konvertere disse kort til en førstepersonsvisning. Det vil sige, at en person forsøger at forstå, hvor noget er placeret, ikke generelt (som vi ser på rigtige kort), men hvor noget vil være placeret i forhold til ham selv (som "gadevisning"-funktionen i Google Maps).
Forfatterne til det værk, vi overvejer, lægger vægt på følgende: Kognitive kort over omgivelserne er indkodet i hippocampus-formationen i det allocentriske system, men motorik (selve bevægelserne) er repræsenteret i det egocentriske system.
UFO: Enemy Unknown (allocentrisk system) og DOOM (egocentrisk system).
Forskellen mellem allocentriske og egocentriske systemer svarer til forskellen mellem spil fra en tredjepersons visning (eller sidevisning, topvisning osv.) og spil fra en førstepersonsvisning. I det første tilfælde er selve miljøet vigtigt for os, i det andet vores position i forhold til dette miljø. Allocentriske navigationsplaner skal således konverteres til et egocentrisk system til egentlig implementering, dvs. bevægelse i rummet.
Forskere mener, at det er den dorsomediale striatum (DMS)* spiller en afgørende rolle i ovenstående proces.
Den menneskelige hjernes striatum.
Striatum* - en del af hjernen, der tilhører de basale ganglier; striatum er involveret i reguleringen af muskeltonus, indre organer og adfærdsreaktioner; Striatum kaldes også "striatum" på grund af dens struktur af skiftende bånd af gråt og hvidt stof.
DMS demonstrerer neurale reaktioner forbundet med at træffe beslutninger og udføre handlinger vedrørende navigation i rummet, så denne region af hjernen bør studeres mere detaljeret.
Forskningsresultater
For at bestemme tilstedeværelsen/fraværet af egocentrisk rumlig information i striatum (DMS), blev 4 hanrotter implanteret med op til 16 tetroder (specielle elektroder forbundet til de ønskede områder af hjernen) målrettet mod DMS (1a).
Billede #1: Striatale cellers reaktion på miljømæssige grænser i en egocentrisk referenceramme.
Forklaringer til billede nr. 1:а — tetrode placeringspunkter;
b — egocentrisk grænsekort;
с — allocentriske rumlige kort (4 kvadrater til venstre), farvekodede baneplot af placeringen af celleresponstoppe i forhold til kropsposition og egocentriske kort (4 kvadrater til højre) baseret på responsen fra EBC-celler i forskellige orienteringer og afstande mellem rotten og væggen;
d - som i 1 с, men for EBC med foretrukne afstande væk fra dyret;
e - som i 1 с, men for to omvendte EBC'er;
f — fordeling af den gennemsnitlige resulterende længde for de observerede celler;
g - fordeling af den gennemsnitlige resulterende længde for EBC ved hjælp af bevægelsesretning og hovedretning;
h — fordeling af den gennemsnitlige reaktion af celler (alle og EBC).
Der blev udført 44 eksperimenter, hvor rotter indsamlede tilfældigt spredt mad i et velkendt rum (åbent, ikke i en labyrint). Som et resultat blev 939 celler registreret. Fra de indsamlede data blev 31 hovedretningsceller (HDC'er) identificeret, men kun en lille del af cellerne, 19 for at være præcis, havde allocentriske rumlige korrelater. Desuden blev aktiviteten af disse celler, begrænset af omkredsen af miljøet, kun observeret under rottens bevægelse langs testkammerets vægge, hvilket antyder et egocentrisk skema til kodning af rummets grænser.
For at vurdere mulighederne for en sådan egocentrisk repræsentation baseret på peak celleaktivitet blev der oprettet egocentriske grænsekort (1b), som illustrerer retningen og afstanden af grænserne i forhold til rottens bevægelsesretning snarere end hovedets position (sammenligning med 1g).
18 % af de registrerede celler (171 ud af 939) viste en signifikant respons, når grænsen af kammeret indtog en bestemt position og orientering i forhold til den eksperimentelle (1f). Forskere kalder dem egocentriske grænseceller (EBC'er). egocentriske grænseceller). Antallet af sådanne celler i forsøgspersoner varierede fra 15 til 70 med et gennemsnit på 42.75 (1c, 1d).
Blandt cellerne med egocentriske grænser var der dem, hvis aktivitet faldt som reaktion på kammerets grænser. Der var 49 af dem i alt, og de blev kaldt inverse EBC'er (iEBC'er). Den gennemsnitlige cellerespons (deres aktionspotentiale) i EBC og iEBC var ret lav - 1,26 ± 0,09 Hz (1h).
EBC-cellepopulationen reagerer på alle orienteringer og positioner af kammergrænsen i forhold til testpersonen, men fordelingen af den foretrukne orientering er bimodal med toppe placeret 180° modsat hinanden på hver side af dyret (-68° og 112°) , der er lidt forskudt fra dyrets vinkelrette akse med 22° (2d).
Billede #2: Foretrukken orientering og afstand for respons af egocentriske grænseceller (EBC'er).
Forklaringer til billede nr. 2:a — egocentriske grænsekort for fire samtidigt undersøgte EBC'er med forskellige foretrukne orienteringer angivet over hver graf;
b - placering af tetroder i overensstemmelse med cellerne fra 2a (tal angiver tetrodenummer);
с — sandsynlighedsfordeling af foretrukne orienteringer for alle EBC'er fra én rotte;
d — sandsynlighedsfordeling af foretrukne orienteringer for EBC for alle rotter;
е — tetrodepositioner for cellerne vist i 2f;
f - egocentriske grænsekort for seks samtidigt registrerede EBC'er med forskellige foretrukne afstande angivet over hver graf;
g — sandsynlighedsfordeling af den foretrukne afstand for alle EBC'er fra én rotte;
h — sandsynlighedsfordeling af foretrukken afstand for EBC for alle rotter;
i er et polært plot af foretrukken afstand og foretrukken orientering for alle EBC'er, med størrelsen af rummet repræsenteret af farven og diameteren af prikkerne.
Fordelingen af den foretrukne afstand til grænsen indeholdt tre toppe: 6.4, 13.5 og 25.6 cm, hvilket indikerer tilstedeværelsen af tre forskellige foretrukne afstande mellem EBC'er (2f—2h), hvilket kan være vigtigt for en hierarkisk navigationssøgestrategi. Størrelsen af EBC-receptive felter steg som en funktion af den foretrukne afstand (2i), hvilket indikerer, at nøjagtigheden af den egocentriske repræsentation af grænser stiger med faldende afstand mellem væggen og forsøgspersonen.
Både foretrukken orientering og afstand manglede en klar topografi, da forsøgspersonens aktive EBC'er med forskellige orienteringer og afstande i forhold til væggen optrådte på den samme tetrode (2a, 2b, 2e и 2f).
Det blev også fundet, at EBC'er konsekvent reagerer på rummets grænser (kammervægge) i enhver version af testkamrene. For at bekræfte, at EBC'er reagerer på de lokale grænser af kammeret snarere end dets distale funktioner, "roterede" forskerne kameraets position med 45° og gjorde flere vægge sorte, hvilket gjorde det anderledes end det, der blev brugt i tidligere test.
Data blev indsamlet både i det normale testkammer og i det roterede. På trods af ændringen i testkammeret forblev alle foretrukne orienteringer og afstande i forhold til væggene på EBC-testpersonerne de samme.
I betragtning af vigtigheden af vinkler blev muligheden for, at EBC'er unikt koder for disse lokale miljøegenskaber, også overvejet. Ved at isolere forskellen mellem responsen nær hjørner og responsen nær midten af væggen identificerede vi en undergruppe af EBC-celler (n = 16; 9,4%), der udviser øget respons på hjørner.
Således kan vi lave en mellemkonklusion, at det er EBC-celler, der reagerer godt på kammerets omkreds, det vil sige på testkammerets vægge og på dets hjørner.
Dernæst testede forskerne, om EBC-cellernes respons på åbent rum (en testarena uden en labyrint, dvs. kun 4 vægge) er den samme for forskellige versioner af testrumsområdet. Der blev udført 3 kørsler, i hver af hvilke væggenes længde afveg 50 cm fra de foregående.
Uanset størrelsen af testkammeret reagerede EBC'er på dets grænser i samme afstand og orientering i forhold til testpersonen. Dette indikerer, at svaret ikke skalerer med miljøstørrelse.
Billede #3: Stabil respons af EBC-celler på rumlige grænser.
Forklaringer til billede nr. 3:а — egocentriske EBC-kort under normale forhold (venstre), og når testkammeret blev drejet 45° (højre);
b — egocentriske EBC-kort for et kamera, der måler 1.25 x 1.25 m (venstre) og for et forstørret kamera 1.75 x 1.75 m (højre);
с — egocentriske EBC-kort med regelmæssige sorte kammervægge (venstre) og med mønstrede vægge (højre);
d—f — grafer over foretrukken afstand (øverst) og ændringer i foretrukken orientering i forhold til basislinjen (nederst).
Fordi striatum modtager information om miljøet fra flere områder af hjernens visuelle cortex, testede forskerne også, om udseendet af vægge påvirker (3 с) kamre på responsen af EBC-celler.
Ændring af udseendet af rummets grænser havde ingen effekt på reaktionen af EBC-celler eller på den afstand og orientering, der kræves for reaktionen i forhold til forsøgspersonen.
Billede #4: Konsistens af EBC-cellerespons uanset miljø.
Forklaringer til billede nr. 4:а — egocentriske kort for EBC i velkendte (venstre) og nye (højre) miljøer;
b — egocentriske kort for EBC, opnået i samme miljø, men med et tidsinterval;
с — grafer over foretrukken afstand (øverst) og ændringer i foretrukken orientering i forhold til basislinjen (nederst) for nye (ukendte) miljøer;
d — grafer over foretrukken afstand (øverst) og ændringer i foretrukken orientering i forhold til basislinjen (nederst) for tidligere studerede (kendte) miljøer.
Det blev også fundet, at responsen fra EBC-celler, såvel som den nødvendige orientering og afstand i forhold til forsøgspersonen, ikke ændrer sig over tid.
Denne "timede" test blev imidlertid udført i det samme testkammer. Det var også nødvendigt at kontrollere, hvilken forskel der var mellem EBC-responsen på kendte forhold og på nye. For at gøre dette blev der udført flere kørsler, da rotterne studerede et kammer, som de allerede kendte fra tidligere test, og derefter nye kamre med åben plads.
Som du måske har gættet, forblev EBC-celleresponsen + ønsket orientering/afstand uændret i de nye kamre (4a, 4c).
Således giver EBC-responsen en stabil repræsentation af miljøets grænser i forhold til testpersonen i alle typer af det pågældende miljø, uanset udseendet af væggene, området af testkammeret, dets bevægelse og tiden emnet tilbragt i kammeret.
For et mere detaljeret bekendtskab med nuancerne i undersøgelsen, anbefaler jeg at se på и til ham.
Epilog
I dette arbejde var videnskabsmænd i stand til i praksis at bekræfte teorien om en egocentrisk repræsentation af miljøet, hvilket er ekstremt vigtigt for orientering i rummet. De viste, at mellem allocentrisk rumlig repræsentation og faktisk handling er der en mellemproces, der involverer visse celler i striatum, kaldet egocentriske grænseceller (EBC). Det blev også fundet, at EBC'er var mere relateret til at kontrollere bevægelsen af hele kroppen, og ikke kun hovedet på testpersonerne.
Denne undersøgelse havde til formål at bestemme den komplette mekanisme for orientering i rummet, alle dets komponenter og variabler. Dette arbejde vil ifølge videnskabsmænd yderligere hjælpe med at forbedre navigationsteknologier til autonome biler og for robotter, der vil være i stand til at forstå rummet omkring dem, ligesom vi gør. Forskerne er yderst tilfredse med resultaterne af deres arbejde, som giver anledning til fortsat at undersøge sammenhængen mellem bestemte områder af hjernen, og hvordan navigationen i rummet foregår.
Tak fordi du læste med, bliv nysgerrig og hav en god uge gutter! 🙂
Tak fordi du blev hos os. Kan du lide vores artikler? Vil du se mere interessant indhold? Støt os ved at afgive en ordre eller anbefale til venner, 30% rabat til Habr-brugere på en unik analog af entry-level servere, som er opfundet af os til dig: (tilgængelig med RAID1 og RAID10, op til 24 kerner og op til 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 gange billigere? Kun her i Holland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra $99! Læse om
Kilde: www.habr.com