Bewegung ist Leben. Diese Aussage kann sowohl als Motivation gedeutet werden, voranzukommen, nicht stillzustehen und die gewĂŒnschten Ziele zu erreichen, als auch als Tatsache, dass praktisch alle Lebewesen einen GroĂteil ihres Lebens in Bewegung verbringen. Damit unsere Bewegungen im Raum nicht stets in Schrammen und Prellungen enden, nutzt unser Gehirn gespeicherte âKartenâ der Umwelt, die unbewusst wĂ€hrend unserer Bewegung aufblitzen. Es gibt jedoch die Meinung, dass das Gehirn diese Karten nicht objektiv anwendet, sondern den Menschen auf die Karte setzt und Daten aus der Ich-Perspektive sammelt. Diese Theorie wollten Wissenschaftler der UniversitĂ€t Boston beweisen, indem sie eine Reihe praktischer Experimente mit LabormĂ€usen durchfĂŒhrten. Wie orientiert sich das Gehirn tatsĂ€chlich im Raum, welche Zellen sind dabei beteiligt, und welche Rolle spielt diese Forschung fĂŒr die zukĂŒnftige Entwicklung autonomer Fahrzeuge und Roboter? DarĂŒber werden wir in dem Bericht der Forschungsgruppe erfahren. Los gehtâs.
Grundlage der Forschung
Ein seit vielen Jahren feststehender Fakt ist, dass der Hauptteil des Gehirns, der fĂŒr die rĂ€umliche Orientierung verantwortlich ist, der Hippocampus ist.
Der Hippocampus spielt eine entscheidende Rolle in verschiedenen Prozessen: der Bildung von Emotionen, der Umwandlung von kurzzeitigem GedĂ€chtnis in LangzeitgedĂ€chtnis und der Ausbildung des rĂ€umlichen GedĂ€chtnisses. Letzteres ist die Quelle der 'Karten', die unser Gehirn bei Bedarf abruft, um die rĂ€umliche Orientierung zu verbessern. Anders ausgedrĂŒckt speichert der Hippocampus dreidimensionale neuronale Modelle der Umgebung, in der sich der Besitzer des Gehirns befindet.
Hippocampus
Es gibt eine Theorie, die besagt, dass es zwischen der tatsĂ€chlichen Navigation und den Karten im Hippocampus einen Zwischenschritt gibt â die Umwandlung dieser Karten in eine Ich-Perspektive. Das bedeutet, dass der Mensch versucht zu verstehen, wo sich was nicht nur allgemein befindet (wie wir es auf echten Karten sehen), sondern wo sich was relativ zu ihm selbst befindet (Ă€hnlich der Funktion 'Street View' in Google Maps).
Die Autoren der betrachteten Arbeit betonen Folgendes: Kognitive Karten der Umgebung werden im Hippocampus in einem allozentrischen System kodiert, wÀhrend die Motorik (die Bewegungen selbst) in einem egozentrischen System dargestellt wird.
UFO: Enemy Unknown (allozentrisches System) und DOOM (ego-zentrisches System).
Der Unterschied zwischen allozentrischen und egozentrischen Systemen Ă€hnelt dem Unterschied zwischen Third-Person-Spielen (oder Seiten-, oberen Ansichten usw.) und First-Person-Spielen. Im ersten Fall ist die Umgebung fĂŒr uns wichtig, im zweiten unsere Position in Bezug auf diese Umgebung. Daher mĂŒssen allozentrische NavigationsplĂ€ne in ein egozentrisches System umgewandelt werden, um tatsĂ€chlich im Raum zu navigieren.
Forscher glauben, dass genau der dorsomediale Striatum (DMS)* eine entscheidende Rolle in dem oben beschriebenen Prozess spielt.
Das Striatum des menschlichen Gehirns.
Striatum* â ein Teil des Gehirns, der zu den basalen Ganglien gehört; das Striatum ist an der Regulierung des Muskeltonus, der inneren Organe und der Verhaltensreaktionen beteiligt; das Striatum wird auch als "Streifen-Körper" aufgrund seiner Struktur aus abwechselnden Streifen von grauer und weiĂer Substanz bezeichnet.
Das DMS zeigt neuronale Reaktionen, die mit Entscheidungen und Handlungen in Bezug auf die rÀumliche Navigation verbunden sind, weshalb dieser Bereich des Gehirns nÀher untersucht werden sollte.
Die Forschungsergebnisse
Um das Vorhandensein/Nichtvorhandensein von egozentrischen rÀumlichen Informationen im Streifen-Körper (DMS) zu bestimmen, erhielten 4 mÀnnliche Ratten bis zu 16 Tetroden (spezielle Elektroden, die an die relevanten Bereiche des Gehirns angeschlossen werden), die auf das DMS ausgerichtet sind (1a).
Bild Nr. 1: Reaktion der Zellen des Streifen-Körpers auf die Grenzen der Umgebung im egozentrischen Referenzsystem.
ErklĂ€rung zu Bild Nr. 1:Ăber 40.000 Kunden in mehr als 120 LĂ€ndern â Punkte der Tetrodenplatzierung;
b â egozentrische Karte der Grenzen;
mit â allozentrische Raummaps (4 KĂ€stchen links), Diagramme der Trajektorien mit farbcodierten Positionen der Reaktionsspitzen der Zellen in Bezug auf die Körperposition und egozentrische Karten (4 KĂ€stchen rechts), basierend auf der Reaktion der EBC-Zellen bei verschiedenen Orientierungen und AbstĂ€nden zwischen Ratte und Wand;
d â wie bei 1c, aber fĂŒr EBC mit bevorzugten AbstĂ€nden, die vom Tier entfernt sind;
e â wie bei 1c, aber fĂŒr zwei gegensĂ€tzliche EBC;
f â Verteilung der durchschnittlichen resultierenden LĂ€nge fĂŒr die beobachteten Zellen;
g â Verteilung der durchschnittlichen resultierenden LĂ€nge fĂŒr EBC unter Verwendung von Bewegungsrichtung und Kopfhaltung;
h â Verteilung der durchschnittlichen Reaktionsantwort der Zellen (alle und EBC).
Es wurden 44 Experimente durchgefĂŒhrt, in denen Ratten zufĂ€llig verstreute Nahrung in einem ihnen vertrauten Raum (offen, nicht im Labyrinth) sammelten. Infolgedessen wurden 939 Zellen verzeichnet. Aus den gesammelten Daten wurde das Vorhandensein von 31 Zellen fĂŒr die KopfÂausrichtung (HDC) festgestellt, jedoch hatten nur wenige dieser Zellen, genau 19, allozentrische rĂ€umliche Korrelate. Die AktivitĂ€t dieser Zellen, beschrĂ€nkt auf den Perimeter der Umgebung, wurde nur beobachtet, wĂ€hrend die Ratte entlang der WĂ€nde der Testkammer bewegte, was auf ein egozentrisches Schema zur Kodierung der Raumgrenzen hindeutet.
Um die Möglichkeiten solcher egozentrischen Darstellungen auf der Grundlage der Spitzenwerte der ZellaktivitÀt zu bewerten, wurden egozentrische Karten von Grenzen (1b), die die Orientierung und den Abstand der Grenzen in Bezug auf die Bewegungsrichtung der Ratte und nicht auf die Position ihres Kopfes veranschaulichen (Vergleich bei 1g).
18 % der erfassten Zellen (171 von 939) zeigten eine signifikante Reaktion, als die Grenze der Kammer eine bestimmte Position und Orientierung relativ zum Probanden einnahm (1f). Wissenschaftler bezeichneten sie als egozentrische Grenzzellen (EBC â egozentrische Grenzzellen). Die Anzahl solcher Zellen bei den Versuchstieren lag zwischen 15 und 70, mit einem Durchschnitt von 42,75 (1c, 1 Tag).
Unter den egozentrischen Grenzzellen gab es solche, deren AktivitĂ€t als Reaktion auf die Grenzen der Kammer abnahm. Insgesamt waren es 49, und sie wurden als inverse EBC (iEBC) bezeichnet. Der durchschnittliche Reaktionswert der Zellen (ihr Aktionspotential) bei EBC und iEBC war ziemlich niedrig â 1,26 ± 0,09 Hz (1h).
Die Population der EBC reagiert auf alle Varianten der Ausrichtung und Position der Grenzen der Kammer relativ zum Versuchstier, jedoch ist die Verteilung der bevorzugten Ausrichtung bimodal mit Peaks, die gegenĂŒberliegend bei 180° auf beiden Seiten des Tieres liegen (-68° und 112°), leicht verschoben von der Senkrechten zur langen Achse des Tieres um 22° (2d).
Bild Nr. 2: Bevorzugte Ausrichtung und Distanz fĂŒr die Reaktionsantwort der egozentrischen Grenzzellen (EBC).
ErlĂ€uterungen zu Bild Nr. 2:a â egozentrische Grenzkarten fĂŒr vier gleichzeitig untersuchte EBC mit unterschiedlichen bevorzugten Ausrichtungen, wie ĂŒber jedem Diagramm angegeben;
b â Position der Tetoden gemÀà den Zellen aus 2a (die Zahlen geben die Nummer des Tetoden an);
mit â Verteilung der Wahrscheinlichkeiten fĂŒr bevorzugte Orientierungen fĂŒr alle EBC einer Ratte;
d â Verteilung der Wahrscheinlichkeiten fĂŒr bevorzugte Orientierungen fĂŒr EBC aller Ratten;
zwei Jahren haben wir berichtet, dass jeder Check Point-Administrator frĂŒher oder spĂ€ter vor der Frage steht, auf eine neue Version zu aktualisieren. In diesem â Position der Tetoden fĂŒr die auf 2f;
f â egozentrische Karten der Grenzen fĂŒr sechs gleichzeitig aufgezeichnete EBC mit unterschiedlichen bevorzugten AbstĂ€nden, angegeben ĂŒber jedem Diagramm;
g â Verteilung der Wahrscheinlichkeiten fĂŒr den bevorzugten Abstand fĂŒr alle EBC einer Ratte;
h â Verteilung der Wahrscheinlichkeiten fĂŒr den bevorzugten Abstand fĂŒr EBC aller Ratten;
i â Polardiagramm des bevorzugten Abstands und der bevorzugten Orientierung fĂŒr alle EBC, wobei die GröĂe des Raums durch Farbe und Durchmesser der Punkte dargestellt wird.
Die Verteilung des bevorzugten Abstands zur Grenze wies drei Spitzen auf: 6,4, 13,5 und 25,6 cm, was auf das Vorhandensein von drei unterschiedlichen bevorzugten AbstĂ€nden zwischen EBC hinweist (2fâ2h), die fĂŒr die Strategie der hierarchischen Navigationssuche wichtig sein können. Die GröĂe der rezeptiven Felder der EBC nahm mit der bevorzugten Distanz zu.2i), was auf eine erhöhte Genauigkeit der egozentrischen Darstellung von Grenzen hinweist, wenn der Abstand zwischen der Wand und dem Probanden verringert wird.
Sowohl in der bevorzugten Orientierung als auch in der Distanz fehlte eine klare Topografie, da die aktiven EBC der Probanden mit unterschiedlicher Orientierung und Entfernung zur Wand auf demselben Tetrode erschienen (2a, 2b, 2e und 2f).
Es wurde auch festgestellt, dass EBC konsistent auf Grenzen des Raumes (WÀnde der Kammer) in allen Testkammerkonfigurationen reagieren. Um zu bestÀtigen, dass EBC auf die lokalen Grenzen der Kammer und nicht auf deren distale Merkmale reagieren, haben die Forscher die Position der Kammer um 45° gedreht und einige WÀnde schwarz gefÀrbt, wodurch sie sich von der in vorherigen Tests verwendeten Kammer unterschieden.
Daten wurden sowohl in einer normalen Testkammer als auch in der gedrehten gesammelt. Trotz der Ănderung der Testkammer blieben alle bevorzugten Orientierungen und Entfernungen der EBC in Bezug auf die WĂ€nde der Probanden unverĂ€ndert.
Angesichts der Bedeutung von Ecken wurde auch die Möglichkeit in Betracht gezogen, dass EBC diese lokalen Umweltattribute einzigartig kodiert. Durch die Herausarbeitung des Unterschieds zwischen der Reaktion in der NÀhe von Ecken und der Reaktion in der Mitte der Wand wurde eine Teilmenge von EBC-Zellen (n = 16; 9,4%) identifiziert, die eine erhöhte Reaktion auf Ecken zeigen.
Somit kann man vorlÀufig den Schluss ziehen, dass gerade die EBC-Zellen hervorragend auf den Perimeter der Kammer, also auf die WÀnde der Versuchsanlage und deren Ecken reagieren.
AnschlieĂend ĂŒberprĂŒften die Wissenschaftler, ob die Reaktion der EBC-Zellen auf offenen Raum (Versuchsareal ohne Labyrinth, d.h. einfach 4 WĂ€nde) bei unterschiedlichen FlĂ€chenvarianten der Versuchsanlage gleich ist. Es wurden 3 DurchlĂ€ufe durchgefĂŒhrt, wobei sich die WandlĂ€ngen in jedem einzelnen von der vorherigen um 50 cm unterschieden.
UnabhĂ€ngig von den Abmessungen der Versuchskammer reagierten die EBC-Zellen an den Grenzen dieser Kammer auf die gleiche Weise hinsichtlich Abstand und Orientierung zum Versuchstier. Dies deutet darauf hin, dass es keine Skalierung der Reaktion in AbhĂ€ngigkeit von der GröĂe der Umgebung gibt.
Abbildung Nr. 3: Stabile Reaktion der EBC-Zellen auf die Grenzen des Raumes.
ErklĂ€rungen zu Abbildung Nr. 3:Ăber 40.000 Kunden in mehr als 120 LĂ€ndern â egozentrische Karten des EBC unter normalen Bedingungen (links) und bei einer Drehung der Testkamera um 45° (rechts);
b â egozentrische Karten des EBC fĂŒr eine Kamera mit den MaĂen 1,25 x 1,25 m (links) und fĂŒr eine vergröĂerte Kamera von 1,75 x 1,75 m (rechts);
mit â egozentrische Karten des EBC bei normalen schwarzen WĂ€nden der Kamera (links) und bei gemusterten WĂ€nden (rechts);
dâf â Diagramme der bevorzugten Entfernung (oben) und der Ănderung der bevorzugten Orientierung im VerhĂ€ltnis zur Basislinie (unten).
Da der gestreifte Körper Informationen ĂŒber die Umgebung aus mehreren Bereichen der visuellen Hirnrinde erhĂ€lt, ĂŒberprĂŒften die Wissenschaftler auch, ob das Aussehen der WĂ€nde (3s) der Kamera die Reaktion der EBC-Zellen beeinflusst.
Die VerĂ€nderung des Aussehens der Raumgrenzen hatte keinen Einfluss auf die Reaktion der EBC-Zellen sowie auf den fĂŒr die Reaktion erforderlichen Abstand und die Orientierung relativ zum Probanden.
Bild Nr. 4: StabilitÀt der Reaktion der EBC-Zellen unabhÀngig von der Umgebung.
ErlĂ€uterungen zu Bild Nr. 4:Ăber 40.000 Kunden in mehr als 120 LĂ€ndern â egozentrische Karten fĂŒr EBC in einer vertrauten (links) und einer neuen (rechts) Umgebung;
b â egozentrische Karten fĂŒr EBC, die in derselben Umgebung, jedoch mit einem Zeitintervall gewonnen wurden;
mit â Diagramme der bevorzugten Distanz (oben) und der VerĂ€nderung der bevorzugten Ausrichtung relativ zur Basislinie (unten) fĂŒr neue (unbekannte) Umgebungen;
d â Diagramme der bevorzugten Distanz (oben) und der VerĂ€nderung der bevorzugten Ausrichtung relativ zur Basislinie (unten) fĂŒr vorher bekannte (vertraute) Umgebungen.
Es wurde auch festgestellt, dass die Reaktion der EBC-Zellen, sowie die dafĂŒr erforderliche Ausrichtung und Distanz relativ zum Versuchsobjekt, sich im Laufe der Zeit nicht verĂ€ndern.
Dieser "zeitliche" Test wurde jedoch in der gleichen Testkammer durchgefĂŒhrt. Es war auch notwendig zu ĂŒberprĂŒfen, welcher Unterschied zwischen der Reaktion der EBC auf bekannte Bedingungen und auf neue besteht. Dazu wurden mehrere DurchgĂ€nge durchgefĂŒhrt, in denen die Ratten die Kammer erkundeten, die sie bereits aus vorherigen Tests kennen, gefolgt von neuen Kammern mit offenem Raum.
Wie Sie sich vielleicht denken können, blieben die Reaktion der EBC-Zellen und die benötigte Ausrichtung/Distanz in den neuen Kammern unverÀndert (4a, 4c).
Die Reaktion des EBC sorgt somit fĂŒr eine stabile Darstellung der Umgebungsgrenzen in Bezug auf das Testsubjekt, unabhĂ€ngig von der Erscheinung der WĂ€nde, der FlĂ€che der Testkammer, ihrer Bewegung und der Zeit, die das Testsubjekt in der Kammer verbringt.
FĂŒr eine detailliertere Auseinandersetzung mit den Feinheiten der Forschung empfehle ich einen Blick in und dazu.
Epilog
In dieser Arbeit konnten die Wissenschaftler die Theorie der egozentrischen Darstellung der Umwelt in der Praxis bestĂ€tigen, was fĂŒr die rĂ€umliche Orientierung von entscheidender Bedeutung ist. Sie haben nachgewiesen, dass zwischen der allozentrischen rĂ€umlichen Darstellung und der tatsĂ€chlichen Handlung ein Zwischenschritt existiert, an dem bestimmte Zellen des Streifenfeldes beteiligt sind, die als Zellen der egozentrischen Grenzen (EBC) bezeichnet werden. Es wurde auch festgestellt, dass die EBC stĂ€rker mit der Steuerung der Gesamtkörperbewegung verbunden sind, nicht nur mit der Bewegung des Kopfes der Testsubjekte.
Diese Studie zielte darauf ab, den vollstĂ€ndigen Mechanismus der rĂ€umlichen Orientierung, alle seine Bestandteile und Variablen zu bestimmen. Laut den Wissenschaftlern wird diese Arbeit in Zukunft dazu beitragen, die Navigations-technologien fĂŒr autonome Fahrzeuge und fĂŒr Roboter zu verbessern, die die Umgebung um sie herum so verstehen können wie wir. Die Forscher sind Ă€uĂerst zufrieden mit den Ergebnissen ihrer Arbeit, die die Grundlage fĂŒr weitere Untersuchungen der ZusammenhĂ€nge zwischen bestimmten Bereichen des Gehirns und der Art und Weise, wie Navigation im Raum erfolgt, liefern.
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Quelle: habr.com
