Bewegung ist Leben. Dieser Satz kann sowohl als Motivation gedeutet werden, voranzukommen, nicht stillzustehen und das GewĂŒnschte zu erreichen, als auch als Feststellung, dass fast alle Lebewesen den GroĂteil ihres Lebens in Bewegung sind. Damit unsere Bewegungen im Raum nicht stĂ€ndig mit Prellungen an der Stirn und gebrochenen kleinen Zehen enden, verwendet unser Gehirn gespeicherte "Karten" der Umgebung, die unbewusst im Moment unserer Bewegung auftauchen. Es gibt jedoch die Meinung, dass das Gehirn diese Karten nicht objektiv anwendet, sondern den Menschen auf dieser Karte platziert und Daten aus der Ich-Perspektive sammelt. Diese Theorie wollten Wissenschaftler der Boston University beweisen und fĂŒhrten eine Reihe praktischer Experimente mit Laborratten durch. Wie orientiert sich das Gehirn tatsĂ€chlich im Raum, welche Zellen sind daran beteiligt, und welche Rolle spielt diese Forschung fĂŒr die Zukunft autonomer Autos und Roboter? DarĂŒber werden wir im Bericht der Forschungsgruppe erfahren. Lassen Sie uns beginnen.
Basis der Forschung
Der seit vielen Jahren festgestellte Fakt ist, dass der wichtigste Teil des Gehirns, der fĂŒr die Orientierung im Raum verantwortlich ist, der Hippocampus ist.
Der Hippocampus ist an vielfÀltigen Prozessen beteiligt: Emotionen zu bilden, die KurzzeitgedÀchtnis in LangzeitgedÀchtnis umzuwandeln und rÀumliches GedÀchtnis zu bilden. Letzteres ist die Quelle der besagten "Karten", die unser Gehirn zur effektiveren Orientierung im Raum abruft. Mit anderen Worten werden im Hippocampus dreidimensionale neuronale Modelle des Raums gespeichert, in dem sich der Besitzer des Gehirns befindet.
Hippocampus
Es gibt eine Theorie, die besagt, dass zwischen der tatsĂ€chlichen Navigation und den Karten im Hippocampus ein zwischenzeitlicher Schritt liegt â die Umwandlung dieser Karten in die Ich-Perspektive. Das heiĂt, der Mensch versucht zu verstehen, wo sich was nicht allgemein (wie wir es auf echten Karten sehen), sondern wo sich was relativ zu ihm selbst befinden wird (Ă€hnlich der Funktion "Street View" in Google Maps).
Die Autoren der von uns betrachteten Arbeit betonen Folgendes: Kognitive Karten der Umwelt werden im hippocampalen Bild in einem allozentrischen System kodiert, wÀhrend die Motorik (die Bewegungen selbst) in einem egozentrischen System dargestellt ist.
UFO: Enemy Unknown (allozentrisches System) und DOOM (egozentrisches System).
Der Unterschied zwischen allozentrischen und egozentrischen Systemen Ă€hnelt dem Unterschied zwischen Spielen in der dritten Person (oder in der Seiten-, Draufsicht usw.) und Spielen aus der Ego-Perspektive. Im ersten Fall ist uns die Umgebung selbst wichtig, im zweiten Fall unser Standort in Bezug auf diese Umgebung. Somit mĂŒssen allozentrische NavigationsplĂ€ne in ein egozentrisches System umgewandelt werden, um tatsĂ€chlich umgesetzt zu werden, d.h. sich im Raum zu bewegen.
Forscher sind der Ansicht, dass insbesondere das dorsomediale Striatum (DMS)* eine entscheidende Rolle im oben beschriebenen Prozess spielt.
Das Hirnstriatum des Menschen.
Striatum* ist ein Teil des Gehirns, der zu den Basalganglien gehört; das Striatum ist an der Regulierung des Muskeltonus, der inneren Organe und der Verhaltensreaktionen beteiligt; das Striatum wird aufgrund seiner Struktur aus abwechselnden Streifen grauer und weiĂer Substanz auch als âgestreiftes Körperâ bezeichnet.
DMS zeigt neuronale Reaktionen, die mit der Entscheidungsfindung und der DurchfĂŒhrung von Handlungen im Zusammenhang mit der Navigation im Raum verbunden sind, daher sollte dieser Teil des Gehirns nĂ€her untersucht werden.
Ergebnisse der Studie
Um das Vorhandensein/Nichtvorhandensein von egozentrischen rÀumlichen Informationen im Striatum (DMS) festzustellen, wurden 4 mÀnnlichen Ratten bis zu 16 Tetroden (spezielle Elektroden, die mit bestimmten Bereichen des Gehirns verbunden sind) implantiert, die auf das DMS ausgerichtet sind (1a).
Bild Nr. 1: Reaktion der Zellen des Striatums auf die Grenzen der Umgebung im egozentrischen Bezugssystem.
ErlĂ€uterungen zu Bild Nr. 1:a â Standorte der Tetroden;
b â egozentrische Karte der Grenzen;
c â allozentrische rĂ€umliche Karten (4 Quadrate links), Grafiken der Trajektorien mit farblicher Kodierung der Positionen der Reaktionsgipfel der Zellen in Bezug auf die Körperposition und egozentrische Karten (4 Quadrate rechts) basierend auf der Reaktion der Zellen EBC bei unterschiedlichen Orientierungen und Entfernungen zwischen der Ratte und der Wand;
d â wie auch auf 1c, aber fĂŒr EBC mit bevorzugten AbstĂ€nden, die vom Tier entfernt sind;
e â wie auch auf 1c, aber fĂŒr zwei umgekehrte 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 der Bewegungsrichtung und der Kopfhaltung;
h â Verteilung der durchschnittlichen Reaktion der Zellen (alle und EBC).
Es wurden 44 Experimente durchgefĂŒhrt, bei denen Ratten zufĂ€llig verstreute Nahrung in einem ihnen bekannten Raum (offen, nicht im Labyrinth) sammelten. Infolgedessen wurden 939 Zellen aufgezeichnet. Aus den gesammelten Daten wurde die Existenz von 31 Kopfhaltungszellen (HDC) festgestellt, jedoch hatten nur wenige der Zellen, genauer gesagt 19, allozentrische rĂ€umliche Korrelationen. Die AktivitĂ€t dieser Zellen, die durch den Rand der Umgebung begrenzt war, wurde nur wĂ€hrend der Bewegung der Ratte entlang der WĂ€nde der Testkammer beobachtet, was auf ein egocentrisches Kodierungsschema der Grenzen des Raumes hindeutet.
Um die Möglichkeiten einer solchen egocentrischen Darbietung auf der Grundlage von SpitzenaktivitÀtsniveaus der Zellen zu bewerten, wurden egocentrische Karten der Grenzen (1b), die die Orientierung und den Abstand der Grenzen relativ zur Bewegungsrichtung der Ratte darstellen, und nicht zur Kopfhaltung (im Vergleich zu 1g).
18 % der aufgezeichneten Zellen (171 von 939) zeigten eine signifikante Reaktion, wenn die Grenze der Kammer eine bestimmte Position und Orientierung relativ zum Subjekt einnahm (1f). Die Wissenschaftler bezeichneten sie als Zellen der egocentrischen Grenzen (EBC â egocentric boundary cells). Die Anzahl solcher Zellen bei den Probanden variierte zwischen 15 und 70 mit einem Durchschnittswert von 42,75 (1c, 1d).
Unter den Zellen der egocentrischen Grenzen befanden sich solche, deren AktivitĂ€t als Reaktion auf die Grenzen der Kammer abnahm. Insgesamt waren es 49, die als umgekehrte EBC (iEBC) bezeichnet wurden. Der durchschnittliche Reaktionswert der Zellen (ihr Aktionspotential) bei EBC und iEBC war relativ niedrig â 1,26 ± 0,09 Hz (1h).
Die Population der EBC-Rezeptoren reagiert auf alle Varianten der Orientierung und Position der Grenzen der Kammer relativ zum Subjekt, wobei die Verteilung der bevorzugten Orientierung bimodal ist, mit Spitzen, die 180° einander gegenĂŒberliegen, auf beiden Seiten des Tieres (-68° und 112°), und leicht von der Senkrechten zur langen Achse des Tieres um 22° verschoben.2d).
Bild Nr. 2: Bevorzugte Orientierung und Entfernung fĂŒr die Reaktion egozentrischer Zellgrenzen (EBC).
ErklĂ€rungen zu Bild Nr. 2:a â egozentrische Karten der Grenzen fĂŒr vier gleichzeitig untersuchte EBC mit verschiedenen bevorzugten Orientierungen, die ĂŒber jedem Diagramm angegeben sind;
b â Position der Elektroden entsprechend den Zellen von 2a (die Zahlen geben die Nummer der Elektrode an);
c â Verteilung der Wahrscheinlichkeiten bevorzugter Orientierungen fĂŒr alle EBC einer Ratte;
d â Verteilung der Wahrscheinlichkeiten bevorzugter Orientierungen fĂŒr EBC aller Ratten;
e â Position der Elektroden fĂŒr die Zellen, die auf 2f;
f â egozentrische Karten der Grenzen fĂŒr sechs gleichzeitig aufgezeichnete EBC mit verschiedenen bevorzugten Entfernungen, die ĂŒber jedem Diagramm angegeben sind;
g â Verteilung der Wahrscheinlichkeiten bevorzugter Entfernungen fĂŒr alle EBC einer Ratte;
h â Verteilung der Wahrscheinlichkeiten bevorzugter Entfernungen fĂŒr EBC aller Ratten;
i â Polardiagramm der bevorzugten Entfernung und bevorzugten Orientierung fĂŒr alle EBC, wobei die GröĂe des Raums durch Farbe und Durchmesser der Punkte dargestellt wird.
Die Verteilung der bevorzugten Entfernung zur Grenze wies drei Spitzen auf: 6,4, 13,5 und 25,6 cm, was auf das Vorhandensein von drei verschiedenen bevorzugten Entfernungen zwischen EBC hinweist (2fâ2h), die fĂŒr die Strategie der hierarchischen Navigation wichtig sein könnten. Die GröĂe der rezeptiven Felder der EBC nahm mit zunehmender bevorzugter Entfernung zu (2i), was auf eine erhöhte Genauigkeit der egozentrischen Darstellung der Grenzen bei verringerter Entfernung zwischen der Wand und dem Testobjekt hinweist.
Weder in der bevorzugten Orientierung noch in der Entfernung gab es eine klare Topografie, da aktive EBC des Testobjekts mit unterschiedlicher Orientierung und Entfernung zur Wand an derselben Elektrode auftauchten (2a, 2b, 2e und 2f).
Es wurde auch festgestellt, dass EBC zuverlĂ€ssig auf die Grenzen des Raumes (WĂ€nde der Kammer) in allen Varianten der Testkammern reagieren. Um zu bestĂ€tigen, dass EBC auf die lokalen Grenzen der Kammer und nicht auf deren distale Merkmale reagieren, drehten die Wissenschaftler die Position der Kammer um 45° und machten mehrere WĂ€nde schwarz, um sie von der in frĂŒheren Tests verwendeten zu unterscheiden.
Es wurden Daten sowohl in der normalen Testkammer als auch in der gedrehten gesammelt. Trotz der Ănderung der Testkammer blieben alle bevorzugten Orientierungen und AbstĂ€nde zu den WĂ€nden bei den EBC-Testobjekten gleich.
Angesichts der Bedeutung der Winkel wurde auch die Möglichkeit in Betracht gezogen, dass EBC diese lokalen Attribute der Umgebung einzigartig kodieren. Durch die Extraktion des Unterschieds zwischen der Reaktion in der NÀhe der Winkel und der Reaktion in der NÀhe der Mitte der Wand wurde eine Teilmenge der EBC-Zellen (n = 16; 9,4%) identifiziert, die eine erhöhte Reaktion auf die Winkel zeigen.
Daraus lĂ€sst sich vorlĂ€ufig schlieĂen, dass insbesondere die EBC-Zellen gut auf den Perimeter der Kammer, also auf die WĂ€nde der Testkammer und deren Ecken, reagieren.
AnschlieĂend ĂŒberprĂŒften die Wissenschaftler, ob die Reaktion der EBC-Zellen auf den offenen Raum (Testarena ohne Labyrinth, d.h. einfach vier WĂ€nde) bei verschiedenen GröĂen der Testumgebung gleich ist. Es wurden drei DurchgĂ€nge durchgefĂŒhrt, bei denen die LĂ€nge der WĂ€nde sich jeweils um 50 cm von der vorherigen unterschied.
UnabhĂ€ngig von den GröĂen der Testkammer reagierten die EBC-Zellen auf ihre Grenzen in gleicher Entfernung und Orientierung relativ zum Testobjekt. Dies deutet darauf hin, dass es keine Skalierung der Reaktion in AbhĂ€ngigkeit von der GröĂe der Umgebung gibt.
Bild Nr. 3: Stabile Reaktion der EBC-Zellen auf die Grenzen des Raumes.
ErklĂ€rungen zu Bild Nr. 3:a â egozentrische Karten der EBC unter normalen Bedingungen (links) und bei einer Drehung der Testkammer um 45° (rechts);
b â egozentrische Karten der EBC fĂŒr eine Kammer mit den MaĂen 1,25 x 1,25 m (links) und fĂŒr eine vergröĂerte Kammer mit 1,75 x 1,75 m (rechts);
c â egozentrische Karten der EBC bei normalen schwarzen WĂ€nden der Kammer (links) und bei gemusterten WĂ€nden (rechts);
dâf â Grafiken des bevorzugten Abstands (oben) und der VerĂ€nderung der bevorzugten Orientierung relativ zur Basislinie (unten).
Da das gestreifte Körper Informationen ĂŒber die Umgebung aus mehreren Bereichen des visuellen Cortex erhĂ€lt, ĂŒberprĂŒften die Wissenschaftler auch, ob das Aussehen der WĂ€nde (3s) der Kammer die Reaktion der EBC-Zellen beeinflusst.
Die VerÀnderung des Erscheinungsbilds der Raumbereiche hatte keinen Einfluss auf die Reaktion der EBC-Zellen und auf den benötigten Abstand und die Orientierung relativ zum Testobjekt.
Bild Nr. 4: StabilitÀt der Reaktion der EBC-Zellen unabhÀngig von der Umgebung.
ErklĂ€rungen zu Bild â4:a â egozentrische Karten fĂŒr EBC in bekannter (links) und neuer (rechts) Umgebung;
b â egozentrische Karten fĂŒr EBC, die in derselben Umgebung, jedoch mit zeitlichem Abstand erhalten wurden;
c â Grafiken des bevorzugten Abstands (oben) und der Ănderung der bevorzugten Orientierung relativ zur Basislinie (unten) fĂŒr neue (unbekannte) Umgebungen;
d â Grafiken des bevorzugten Abstands (oben) und der Ănderung der bevorzugten Orientierung relativ zur Basislinie (unten) fĂŒr zuvor bekannte (vertraute) Umgebungen.
Es wurde auch festgestellt, dass die Reaktion der EBC-Zellen sowie die dafĂŒr erforderliche Orientierung und der Abstand zur Testperson im Laufe der Zeit unverĂ€ndert bleiben.
Dieser âzeitlicheâ Test fand jedoch in derselben Testkammer statt. Es war auch notwendig zu ĂŒberprĂŒfen, wie sich die Reaktion der EBC in bekannten Bedingungen im Vergleich zu neuen unterscheidet. Zu diesem Zweck wurden mehrere DurchgĂ€nge durchgefĂŒhrt, in denen die Ratten die Kammer erkundeten, die sie aus vorherigen Tests bereits kennen, gefolgt von neuen Kammern mit offenem Raum.
Wie Sie bereits erraten haben, blieb die Reaktion der EBC-Zellen + die erforderliche Orientierung/Abstand in den neuen Kammern unverÀndert (4a, 4c).
Somit sorgt die Reaktion der EBC fĂŒr eine stabile Vorstellung von den Grenzen der Umgebung relativ zur Testperson in allen Typen dieser Umgebung, unabhĂ€ngig von dem Ă€uĂeren Erscheinungsbild der WĂ€nde, der FlĂ€che der Testkammer, ihrer Bewegung und der Zeit, die die Testperson in der Kammer verbringt.
FĂŒr eine detailliertere Auseinandersetzung mit den Nuancen der Studie empfehle ich einen Blick in den und dazu.
Epilog
In dieser Arbeit gelang es den Wissenschaftlern, die Theorie der egozentrischen Wahrnehmung der Umwelt praktisch zu bestĂ€tigen, was fĂŒr die Orientierung im Raum Ă€uĂerst wichtig ist. Sie bewiesen, dass es einen zwischenliegenden Prozess gibt, der zwischen dem allozentrischen rĂ€umlichen Vorstellungsvermögen und der tatsĂ€chlichen Handlung stattfindet, wobei bestimmte Zellen des Streifenkörpers, die als Zellen der egozentrischen Grenzen (EBC) bezeichnet werden, eine Rolle spielen. Es wurde auch festgestellt, dass die EBC stĂ€rker mit der Steuerung der Bewegung des gesamten Körpers als nur des Kopfes der Testpersonen verbunden sind.
Diese Studie zielte darauf ab, den vollstĂ€ndigen Mechanismus der rĂ€umlichen Orientierung, all seine Bestandteile und Variablen zu bestimmen. Laut den Wissenschaftlern wird diese Arbeit in Zukunft helfen, Navigations Technologien fĂŒr autonome Fahrzeuge und Roboter zu verbessern, die in der Lage sein werden, die Umgebung um sie herum zu verstehen, so wie wir es tun. Die Forscher sind Ă€uĂerst zufrieden mit den Ergebnissen ihrer Arbeit, die die Grundlage fĂŒr eine weitere Untersuchung des Zusammenhangs zwischen bestimmten Bereichen des Gehirns und der rĂ€umlichen Navigation bilden.
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Quelle: habr.com
