Bewegung ist Leben. Dieser Satz kann sowohl als Motivation interpretiert werden, voranzukommen, nicht stehen zu bleiben und das zu erreichen, was man will, als auch als Aussage darüber, dass fast alle Lebewesen den größten Teil ihres Lebens in Bewegung verbringen. Damit unsere Bewegungen und Bewegungen im Raum nicht jedes Mal mit Beulen auf der Stirn und abgebrochenen kleinen Zehen enden, greift unser Gehirn auf gespeicherte „Karten“ der Umwelt zurück, die im Moment unserer Bewegung unbewusst entstehen. Es gibt jedoch die Meinung, dass das Gehirn diese Karten nicht sozusagen von außen nutzt, sondern indem es eine Person auf dieser Karte platziert und Daten aus der Ego-Perspektive sammelt. Wissenschaftler der Boston University beschlossen, diese Theorie zu beweisen, indem sie eine Reihe praktischer Experimente mit Laborratten durchführten. Wie navigiert das Gehirn eigentlich im Weltraum, welche Zellen sind daran beteiligt und welche Rolle spielt diese Forschung für die Zukunft autonomer Autos und Roboter? Das erfahren wir aus dem Bericht der Forschungsgruppe. Gehen.
Forschungsgrundlage
Vor vielen Jahren wurde also festgestellt, dass der Hippocampus der Hauptteil des Gehirns ist, der für die Orientierung im Raum verantwortlich ist.
Der Hippocampus ist an einer Vielzahl von Prozessen beteiligt: der Bildung von Emotionen, der Umwandlung des Kurzzeitgedächtnisses in das Langzeitgedächtnis und der Bildung des räumlichen Gedächtnisses. Letzteres ist die Quelle jener „Karten“, die unser Gehirn im richtigen Moment für eine effektivere Orientierung im Raum abruft. Mit anderen Worten: Der Hippocampus speichert dreidimensionale neuronale Modelle des Raums, in dem sich der Besitzer des Gehirns befindet.
Hippocampus
Es gibt eine Theorie, die besagt, dass es zwischen der tatsächlichen Navigation und Karten aus dem Hippocampus einen Zwischenschritt gibt – die Umwandlung dieser Karten in eine Ansicht aus der ersten Person. Das heißt, eine Person versucht zu verstehen, wo sich etwas befindet, nicht im Allgemeinen (wie wir es auf echten Karten sehen), sondern wo sich etwas relativ zu sich selbst befindet (wie die „Street View“-Funktion in Google Maps).
Die Autoren der von uns betrachteten Arbeit betonen Folgendes: Kognitive Karten der Umwelt werden im allozentrischen System in der Hippocampusformation kodiert, motorische Fähigkeiten (die Bewegungen selbst) werden jedoch im egozentrischen System repräsentiert.
UFO: Enemy Unknown (allozentrisches System) und DOOM (egozentrisches System).
Der Unterschied zwischen allozentrischen und egozentrischen Systemen ähnelt dem Unterschied zwischen Spielen aus der Third-Person-Perspektive (oder Seitenansicht, Draufsicht usw.) und Spielen aus der First-Person-Perspektive. Im ersten Fall ist für uns die Umgebung selbst wichtig, im zweiten Fall unsere Position relativ zu dieser Umgebung. Daher müssen allozentrische Navigationspläne für die tatsächliche Umsetzung in ein egozentrisches System umgewandelt werden, d. h. Bewegung im Raum.
Forscher gehen davon aus, dass es sich um die Dorsomediale handelt Striatum (DMS)* spielt im oben genannten Prozess eine entscheidende Rolle.
Das Striatum des menschlichen Gehirns.
Striatum* - 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 Bändern aus grauer und weißer Substanz auch „Striatum“ genannt.
Das DMS zeigt neuronale Reaktionen, die mit der Entscheidungsfindung und der Durchführung von Aktionen zur Navigation im Raum verbunden sind, daher sollte diese Region des Gehirns genauer untersucht werden.
Ergebnisse der Studie
Um das Vorhandensein/Fehlen egozentrischer räumlicher Informationen im Striatum (DMS) zu bestimmen, wurden 4 männlichen Ratten bis zu 16 Tetroden (spezielle Elektroden, die mit den gewünschten Bereichen des Gehirns verbunden sind) implantiert, die auf das DMS abzielten (1a).
Bild Nr. 1: Reaktion von Striatumzellen auf Umweltgrenzen in einem egozentrischen Bezugsrahmen.
Erläuterungen zu Bild Nr. 1:а — Standortpunkte der Tetrode;
b — egozentrische Grenzkarte;
с – allozentrische räumliche Karten (4 Quadrate links), farbcodierte Trajektoriendiagramme der Orte der Zellreaktionsspitzen relativ zur Körperposition und egozentrische Karten (4 Quadrate rechts) basierend auf der Reaktion von EBC-Zellen in verschiedenen Ausrichtungen und Abstände zwischen Ratte und Wand;
d - wie in 1с, aber für EBC mit bevorzugten Abständen vom Tier;
e - wie in 1с, aber für zwei inverse EBCs;
f — Verteilung der durchschnittlichen resultierenden Länge für die beobachteten Zellen;
g - Verteilung der durchschnittlichen resultierenden Länge für EBC anhand der Bewegungsrichtung und der Kopfrichtung;
h — Verteilung der durchschnittlichen Antwort der Zellen (alle und EBC).
Es wurden 44 Experimente durchgeführt, bei denen Ratten zufällig verstreutes Futter in einem vertrauten Raum (offen, nicht in einem Labyrinth) sammelten. Als Ergebnis wurden 939 Zellen erfasst. Aus den gesammelten Daten wurden 31 Head Direction Cells (HDCs) identifiziert, aber nur ein kleiner Teil der Zellen, genauer gesagt 19, wies allozentrische räumliche Korrelate auf. Darüber hinaus wurde die durch den Umfang der Umgebung begrenzte Aktivität dieser Zellen nur während der Bewegung der Ratte entlang der Wände der Testkammer beobachtet, was auf ein egozentrisches Schema zur Kodierung der Raumgrenzen schließen lässt.
Um die Möglichkeiten einer solchen egozentrischen Darstellung auf Basis der Spitzenzellaktivität abzuschätzen, wurden egozentrische Grenzkarten erstellt (1b), die die Ausrichtung und den Abstand der Grenzen relativ zur Bewegungsrichtung der Ratte veranschaulichen und nicht die Position ihres Kopfes (Vergleich mit 1g).
18 % der aufgezeichneten Zellen (171 von 939) zeigten eine signifikante Reaktion, wenn die Kammergrenze eine bestimmte Position und Ausrichtung relativ zur experimentellen einnahm (1f). Wissenschaftler nennen sie egozentrische Grenzzellen (EBCs). egozentrische Grenzzellen). Die Anzahl solcher Zellen bei Versuchspersonen lag zwischen 15 und 70 mit einem Durchschnitt von 42.75 (1c, 1d).
Unter den Zellen egozentrischer Grenzen gab es solche, deren Aktivität als Reaktion auf die Grenzen der Kammer abnahm. Insgesamt gab es 49 davon und sie wurden inverse EBCs (iEBCs) genannt. Die durchschnittliche Zellreaktion (ihr Aktionspotential) bei EBC und iEBC war recht niedrig – 1,26 ± 0,09 Hz (1h).
Die EBC-Zellpopulation reagiert auf alle Orientierungen und Positionen der Kammergrenze relativ zum Testsubjekt, aber die Verteilung der bevorzugten Orientierung ist bimodal mit Peaks, die einander um 180° gegenüberliegend auf beiden Seiten des Tieres liegen (-68° und 112°). , leicht um 22° von der Senkrechten zur Längsachse des Tieres versetzt (2d).
Bild Nr. 2: Bevorzugte Ausrichtung und Entfernung für die Reaktion egozentrischer Grenzzellen (EBCs).
Erläuterungen zu Bild Nr. 2:a – egozentrische Grenzkarten für vier gleichzeitig untersuchte EBCs mit unterschiedlichen bevorzugten Ausrichtungen, die über jedem Diagramm angegeben sind;
b - Position der Tetroden entsprechend den Zellen von 2a (Zahlen geben die Tetrodennummer an);
с — Wahrscheinlichkeitsverteilung der bevorzugten Orientierungen für alle EBCs einer Ratte;
d — Wahrscheinlichkeitsverteilung der bevorzugten Orientierungen für EBC aller Ratten;
е – Tetrodenpositionen für die in gezeigten Zellen 2f;
f - egozentrische Grenzkarten für sechs gleichzeitig aufgezeichnete EBCs mit unterschiedlichen bevorzugten Entfernungen, die über jedem Diagramm angegeben sind;
g — Wahrscheinlichkeitsverteilung der bevorzugten Entfernung für alle EBCs einer Ratte;
h — Wahrscheinlichkeitsverteilung des bevorzugten Abstands für EBC aller Ratten;
i ist ein Polardiagramm des bevorzugten Abstands und der bevorzugten Ausrichtung für alle EBCs, wobei die Größe des Raums durch die Farbe und den Durchmesser der Punkte dargestellt wird.
Die Verteilung des bevorzugten Abstands zur Grenze enthielt drei Peaks: 6.4, 13.5 und 25.6 cm, was auf das Vorhandensein von drei verschiedenen bevorzugten Abständen zwischen EBCs hinweist (2f-2h), was für eine hierarchische Navigationssuchstrategie wichtig sein kann. Die Größe der EBC-Empfangsfelder nahm in Abhängigkeit von der bevorzugten Entfernung zu (2i), was darauf hindeutet, dass die Genauigkeit der egozentrischen Darstellung von Grenzen mit abnehmendem Abstand zwischen Wand und Versuchsobjekt zunimmt.
Sowohl der bevorzugten Ausrichtung als auch der Entfernung fehlte eine klare Topographie, da die aktiven EBCs der Versuchsperson mit unterschiedlichen Ausrichtungen und Abständen relativ zur Wand auf derselben Tetrode erschienen (2a, 2b, 2e и 2f).
Es wurde auch festgestellt, dass EBCs in jeder Version der Testkammern konsistent auf die Raumgrenzen (Kammerwände) reagieren. Um zu bestätigen, dass EBCs auf die lokalen Grenzen der Kammer und nicht auf deren distale Merkmale reagieren, „drehten“ die Wissenschaftler die Position der Kamera um 45° und machten mehrere Wände schwarz, wodurch sie sich von denen in früheren Tests unterschieden.
Die Daten wurden sowohl in der normalen Testkammer als auch in der rotierten Testkammer gesammelt. Trotz der Veränderung der Prüfkammer blieben alle bevorzugten Ausrichtungen und Abstände zu den Wänden der EBC-Testpersonen gleich.
Angesichts der Bedeutung von Winkeln wurde auch die Möglichkeit in Betracht gezogen, dass EBCs diese lokalen Umweltattribute eindeutig kodieren. Indem wir den Unterschied zwischen der Reaktion in der Nähe von Ecken und der Reaktion in der Nähe der Wandmitte isolierten, identifizierten wir eine Untergruppe von EBC-Zellen (n = 16; 9,4 %), die eine verstärkte Reaktion auf Ecken zeigten.
Daher können wir eine Zwischenschlussfolgerung ziehen, dass es EBC-Zellen sind, die gut auf den Umfang der Kammer, also auf die Wände der Testkammer und ihre Ecken, reagieren.
Als nächstes testeten die Wissenschaftler, ob die Reaktion der EBC-Zellen auf den offenen Raum (eine Testarena ohne Labyrinth, also nur 4 Wände) für verschiedene Versionen des Testraumbereichs gleich ist. Es wurden 3 Läufe durchgeführt, bei denen sich die Länge der Wände jeweils um 50 cm von den vorherigen unterschied.
Unabhängig von der Größe der Testkammer reagierten EBCs auf ihre Grenzen im gleichen Abstand und in der gleichen Ausrichtung relativ zum Testobjekt. Dies weist darauf hin, dass die Reaktion nicht mit der Umgebungsgröße skaliert.
Bild Nr. 3: Stabile Reaktion von EBC-Zellen auf räumliche Grenzen.
Erläuterungen zu Bild Nr. 3:а — egozentrische EBC-Karten unter normalen Bedingungen (links) und wenn die Testkammer um 45° gedreht wurde (rechts);
b — egozentrische EBC-Karten für eine Kamera mit den Maßen 1.25 x 1.25 m (links) und für eine vergrößerte Kamera mit den Maßen 1.75 x 1.75 m (rechts);
с – egozentrische EBC-Karten mit regelmäßigen schwarzen Kammerwänden (links) und mit gemusterten Wänden (rechts);
d-f — Diagramme des bevorzugten Abstands (oben) und Änderungen der bevorzugten Ausrichtung relativ zur Grundlinie (unten).
Da das Striatum Informationen über die Umgebung aus mehreren Bereichen des visuellen Kortex des Gehirns erhält, testeten die Wissenschaftler auch, ob das Aussehen von Wänden Einfluss darauf hat (3с) Kammern auf die Reaktion von EBC-Zellen.
Eine Änderung des Erscheinungsbilds der Raumgrenzen hatte keinen Einfluss auf die Reaktion der EBC-Zellen oder auf den für die Reaktion erforderlichen Abstand und die Ausrichtung relativ zum Versuchsobjekt.
Bild Nr. 4: Konsistenz der EBC-Zellantwort unabhängig von der Umgebung.
Erläuterungen zu Bild Nr. 4:а – egozentrische Karten für EBC in vertrauten (links) und neuen (rechts) Umgebungen;
b — egozentrische Karten für EBC, die in derselben Umgebung, jedoch mit einem Zeitintervall, erstellt wurden;
с — Diagramme der bevorzugten Entfernung (oben) und Änderungen der bevorzugten Ausrichtung relativ zur Grundlinie (unten) für neue (unbekannte) Umgebungen;
d – Diagramme des bevorzugten Abstands (oben) und Änderungen der bevorzugten Ausrichtung relativ zur Grundlinie (unten) für zuvor untersuchte (vertraute) Umgebungen.
Es wurde außerdem festgestellt, dass sich die Reaktion der EBC-Zellen sowie die erforderliche Ausrichtung und Entfernung relativ zum Versuchsobjekt im Laufe der Zeit nicht ändern.
Dieser „zeitgesteuerte“ Test wurde jedoch in derselben Testkammer durchgeführt. Es musste auch überprüft werden, welcher Unterschied zwischen der EBC-Reaktion auf bekannte und neue Erkrankungen besteht. Dazu wurden mehrere Versuche durchgeführt, bei denen die Ratten eine Kammer untersuchten, die sie bereits aus früheren Tests kannten, und dann neue Kammern mit offenem Raum.
Wie Sie vielleicht vermutet haben, blieben die EBC-Zellreaktion + die gewünschte Ausrichtung/Entfernung in den neuen Kammern unverändert (4a, 4c).
Somit liefert die EBC-Reaktion eine stabile Darstellung der Grenzen der Umgebung relativ zum Testsubjekt in allen Arten dieser Umgebung, unabhängig vom Aussehen der Wände, der Fläche der Testkammer, ihrer Bewegung und der Zeit das in der Kammer verbrachte Thema.
Für eine detailliertere Bekanntschaft mit den Nuancen der Studie empfehle ich einen Blick auf и zu ihm.
Letzter Akt
In dieser Arbeit konnten Wissenschaftler die Theorie einer egozentrischen Darstellung der Umwelt, die für die Orientierung im Raum äußerst wichtig ist, in der Praxis bestätigen. Sie zeigten, dass es zwischen allozentrischer räumlicher Darstellung und tatsächlicher Aktion einen Zwischenprozess gibt, an dem bestimmte Zellen im Striatum beteiligt sind, die sogenannten egozentrischen Grenzzellen (EBC). Es wurde auch festgestellt, dass EBCs eher mit der Steuerung der Bewegung des gesamten Körpers und nicht nur des Kopfes der Testpersonen zusammenhängen.
Ziel dieser Studie war es, den vollständigen Mechanismus der Orientierung im Raum, alle seine Komponenten und Variablen zu bestimmen. Wissenschaftlern zufolge wird diese Arbeit dazu beitragen, die Navigationstechnologien für autonome Autos und Roboter weiter zu verbessern, die wie wir in der Lage sein werden, den Raum um sie herum zu verstehen. Die Forscher sind mit den Ergebnissen ihrer Arbeit äußerst zufrieden und geben Anlass, die Zusammenhänge zwischen bestimmten Bereichen des Gehirns und der Navigation im Weltraum weiter zu untersuchen.
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Source: habr.com