Η κίνηση είναι ζωή. Αυτή η φράση μπορεί να ερμηνευτεί τόσο ως κίνητρο για να προχωρήσετε μπροστά, να μην μείνετε ακίνητοι και να πετύχετε αυτό που θέλετε, όσο και ως δήλωση του γεγονότος ότι σχεδόν όλα τα ζωντανά όντα περνούν το μεγαλύτερο μέρος της ζωής τους σε κίνηση. Για να διασφαλίσουμε ότι οι κινήσεις και οι κινήσεις μας στο διάστημα δεν τελειώνουν με χτυπήματα στο μέτωπό μας και σπασμένα δάχτυλα των ποδιών μας κάθε φορά, ο εγκέφαλός μας χρησιμοποιεί αποθηκευμένους «χάρτες» του περιβάλλοντος που αναδύονται ασυνείδητα τη στιγμή της κίνησής μας. Ωστόσο, υπάρχει η άποψη ότι ο εγκέφαλος χρησιμοποιεί αυτούς τους χάρτες όχι από έξω, ας πούμε έτσι, αλλά τοποθετώντας ένα άτομο σε αυτόν τον χάρτη και συλλέγοντας δεδομένα από άποψη πρώτου προσώπου. Επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο της Βοστώνης αποφάσισαν να αποδείξουν αυτή τη θεωρία πραγματοποιώντας μια σειρά πρακτικών πειραμάτων με εργαστηριακούς αρουραίους. Πώς πραγματικά πλοηγείται ο εγκέφαλος στο διάστημα, ποια κύτταρα εμπλέκονται και τι ρόλο παίζει αυτή η έρευνα για το μέλλον των αυτόνομων αυτοκινήτων και ρομπότ; Το μαθαίνουμε από την έκθεση της ερευνητικής ομάδας. Πηγαίνω.
Ερευνητική βάση
Έτσι, το γεγονός που διαπιστώθηκε πριν από πολλά χρόνια είναι ότι το κύριο μέρος του εγκεφάλου που είναι υπεύθυνο για τον προσανατολισμό στο διάστημα είναι ο ιππόκαμπος.
Ο ιππόκαμπος εμπλέκεται σε ποικίλες διεργασίες: το σχηματισμό συναισθημάτων, τη μετατροπή της βραχυπρόθεσμης μνήμης σε μακροπρόθεσμη μνήμη και το σχηματισμό της χωρικής μνήμης. Είναι το τελευταίο που είναι η πηγή αυτών των ίδιων «χάρτων» που ο εγκέφαλός μας καλεί την κατάλληλη στιγμή για πιο αποτελεσματικό προσανατολισμό στο διάστημα. Με άλλα λόγια, ο ιππόκαμπος αποθηκεύει τρισδιάστατα νευρωνικά μοντέλα του χώρου μέσα στον οποίο βρίσκεται ο ιδιοκτήτης του εγκεφάλου.
Ιππόκαμπος
Υπάρχει μια θεωρία που λέει ότι μεταξύ της πραγματικής πλοήγησης και των χαρτών από τον ιππόκαμπο, υπάρχει ένα ενδιάμεσο βήμα - η μετατροπή αυτών των χαρτών σε προβολή πρώτου προσώπου. Δηλαδή, ένα άτομο προσπαθεί να καταλάβει πού βρίσκεται κάτι όχι γενικά (όπως βλέπουμε σε πραγματικούς χάρτες), αλλά πού θα βρίσκεται κάτι σε σχέση με τον εαυτό του (όπως η λειτουργία "street view" στους Χάρτες Google).
Οι συγγραφείς της εργασίας που εξετάζουμε τονίζουν τα εξής: Οι γνωστικοί χάρτες του περιβάλλοντος κωδικοποιούνται στον σχηματισμό του ιππόκαμπου στο αλλοκεντρικό σύστημα, αλλά οι κινητικές δεξιότητες (οι ίδιες οι κινήσεις) αντιπροσωπεύονται στο εγωκεντρικό σύστημα.
UFO: Enemy Unknown (αλοκεντρικό σύστημα) και DOOM (εγωκεντρικό σύστημα).
Η διαφορά μεταξύ αλλοκεντρικών και εγωκεντρικών συστημάτων είναι παρόμοια με τη διαφορά μεταξύ παιχνιδιών από άποψη τρίτου προσώπου (ή πλάγιας όψης, κάτοψης κ.λπ.) και παιχνιδιών από άποψη πρώτου προσώπου. Στην πρώτη περίπτωση, το ίδιο το περιβάλλον είναι σημαντικό για εμάς, στη δεύτερη, η θέση μας σε σχέση με αυτό το περιβάλλον. Έτσι, τα αλλοκεντρικά σχέδια πλοήγησης πρέπει να μετατραπούν σε εγωκεντρικό σύστημα για πραγματική εφαρμογή, δηλ. κίνηση στο διάστημα.
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι είναι το ραχιαίο ραβδωτό σώμα (DMS)* παίζει ζωτικό ρόλο στην παραπάνω διαδικασία.
Το ραβδωτό σώμα του ανθρώπινου εγκεφάλου.
ραβδωτό* - μέρος του εγκεφάλου που ανήκει στα βασικά γάγγλια. το ραβδωτό σώμα εμπλέκεται στη ρύθμιση του μυϊκού τόνου, των εσωτερικών οργάνων και των αντιδράσεων συμπεριφοράς. Το ραβδωτό σώμα ονομάζεται επίσης «ραβδωτό σώμα» λόγω της δομής του από εναλλασσόμενες ζώνες φαιάς και λευκής ουσίας.
Το DMS δείχνει νευρικές αποκρίσεις που σχετίζονται με τη λήψη αποφάσεων και την εκτέλεση ενεργειών σχετικά με την πλοήγηση στο διάστημα, επομένως αυτή η περιοχή του εγκεφάλου θα πρέπει να μελετηθεί με περισσότερες λεπτομέρειες.
Αποτελέσματα της μελέτης
Για να προσδιοριστεί η παρουσία/απουσία εγωκεντρικών χωρικών πληροφοριών στο ραβδωτό σώμα (DMS), εμφυτεύθηκαν 4 αρσενικοί αρουραίοι με έως και 16 τετρόδια (ειδικά ηλεκτρόδια συνδεδεμένα στις επιθυμητές περιοχές του εγκεφάλου) που στοχεύουν το DMS (1a).
Εικόνα #1: Απόκριση ραβδωτών κυττάρων στα περιβαλλοντικά όρια σε ένα εγωκεντρικό πλαίσιο αναφοράς.
Επεξηγήσεις για την εικόνα Νο. 1:а — σημεία θέσης tetrode·
b — εγωκεντρικός χάρτης ορίων.
с — αλλοκεντρικοί χωρικοί χάρτες (4 τετράγωνα στα αριστερά), χρωματικά κωδικοποιημένα σχέδια τροχιών των θέσεων των κορυφών απόκρισης κυττάρων σε σχέση με τη θέση του σώματος, και εγωκεντρικοί χάρτες (4 τετράγωνα στα δεξιά) με βάση την απόκριση των κυττάρων EBC σε διάφορους προσανατολισμούς και αποστάσεις μεταξύ του αρουραίου και του τοίχου.
d - όπως λέμε 1s, αλλά για EBC με προτιμώμενες αποστάσεις μακριά από το ζώο.
e - όπως λέμε 1s, αλλά για δύο αντίστροφα EBC.
f — κατανομή του μέσου μήκους που προκύπτει για τα παρατηρούμενα κύτταρα.
g - κατανομή του μέσου προκύπτοντος μήκους για EBC χρησιμοποιώντας κατεύθυνση κίνησης και κατεύθυνση κεφαλής.
h — κατανομή της μέσης απόκρισης των κυττάρων (όλα και EBC).
Διεξήχθησαν 44 πειράματα στα οποία οι αρουραίοι συνέλεξαν τυχαία διάσπαρτη τροφή σε οικείο χώρο (ανοιχτό, όχι σε λαβύρινθο). Ως αποτέλεσμα, καταγράφηκαν 939 κύτταρα. Από τα δεδομένα που συλλέχθηκαν, αναγνωρίστηκαν 31 κύτταρα κατεύθυνσης κεφαλής (HDC), αλλά μόνο ένα μικρό κλάσμα των κυττάρων, για την ακρίβεια 19, είχαν αλλοκεντρικές χωρικές συσχετίσεις. Επιπλέον, η δραστηριότητα αυτών των κυττάρων, που περιορίζεται από την περίμετρο του περιβάλλοντος, παρατηρήθηκε μόνο κατά την κίνηση του αρουραίου κατά μήκος των τοιχωμάτων του θαλάμου δοκιμής, γεγονός που υποδηλώνει ένα εγωκεντρικό σχήμα για την κωδικοποίηση των ορίων του χώρου.
Για να αξιολογηθούν οι δυνατότητες μιας τέτοιας εγωκεντρικής αναπαράστασης με βάση τη μέγιστη κυτταρική δραστηριότητα, δημιουργήθηκαν εγωκεντρικοί χάρτες ορίων (1b), που απεικονίζουν τον προσανατολισμό και την απόσταση των ορίων σε σχέση με την κατεύθυνση της κίνησης του αρουραίου, παρά τη θέση του κεφαλιού του (σύγκριση με 1g).
Το 18% των καταγεγραμμένων κυττάρων (171 από τα 939) παρουσίασαν σημαντική απόκριση όταν το όριο του θαλάμου κατείχε μια συγκεκριμένη θέση και προσανατολισμό σε σχέση με το πειραματικό (1f). Οι επιστήμονες τα αποκαλούν εγωκεντρικά οριακά κύτταρα (EBCs). εγωκεντρικά οριακά κύτταρα). Ο αριθμός τέτοιων κυττάρων στα πειραματικά άτομα κυμαινόταν από 15 έως 70 με μέσο όρο 42.75 (1c, 1d).
Μεταξύ των κυττάρων των εγωκεντρικών ορίων, υπήρχαν εκείνα των οποίων η δραστηριότητα μειώθηκε ως απόκριση στα όρια του θαλάμου. Ήταν 49 συνολικά και ονομάζονταν αντίστροφα EBC (iEBC). Η μέση κυτταρική απόκριση (το δυναμικό δράσης τους) σε EBC και iEBC ήταν αρκετά χαμηλή - 1,26 ± 0,09 Hz (1h).
Ο πληθυσμός των κυττάρων EBC ανταποκρίνεται σε όλους τους προσανατολισμούς και τις θέσεις του ορίου του θαλάμου σε σχέση με το υποκείμενο δοκιμής, αλλά η κατανομή του προτιμώμενου προσανατολισμού είναι διτροπική με κορυφές που βρίσκονται 180° απέναντι από την άλλη εκατέρωθεν του ζώου (-68° και 112°) , με ελαφρά μετατόπιση από την κάθετη προς τον μακρύ άξονα του ζώου κατά 22° (2d).
Εικόνα #2: Προτιμώμενος προσανατολισμός και απόσταση για απόκριση εγωκεντρικών οριακών κυττάρων (EBCs).
Επεξηγήσεις για την εικόνα Νο. 2:a — εγωκεντρικοί χάρτες ορίων για τέσσερα EBC που εξετάστηκαν ταυτόχρονα με διαφορετικούς προτιμώμενους προσανατολισμούς που υποδεικνύονται πάνω από κάθε γράφημα.
b - θέση τετρωδών σύμφωνα με τα κύτταρα από 2a (οι αριθμοί υποδεικνύουν τον αριθμό tetrode).
с — κατανομή πιθανοτήτων των προτιμώμενων προσανατολισμών για όλα τα EBC ενός αρουραίου.
d — κατανομή πιθανοτήτων των προτιμώμενων προσανατολισμών για EBC όλων των αρουραίων.
е — θέσεις τετρόδου για τα κύτταρα που φαίνονται στο 2f;
f - εγωκεντρικοί χάρτες ορίων για έξι ταυτόχρονα καταγεγραμμένα EBC με διαφορετικές προτιμώμενες αποστάσεις που υποδεικνύονται πάνω από κάθε γράφημα.
g — κατανομή πιθανότητας της προτιμώμενης απόστασης για όλα τα EBC ενός αρουραίου.
h — κατανομή πιθανότητας της προτιμώμενης απόστασης για EBC όλων των αρουραίων.
i είναι ένα πολικό διάγραμμα προτιμώμενης απόστασης και προτιμώμενου προσανατολισμού για όλα τα EBC, με το μέγεθος του χώρου να αντιπροσωπεύεται από το χρώμα και τη διάμετρο των κουκκίδων.
Η κατανομή της προτιμώμενης απόστασης μέχρι το όριο περιείχε τρεις κορυφές: 6.4, 13.5 και 25.6 cm, υποδεικνύοντας την παρουσία τριών διαφορετικών προτιμώμενων αποστάσεων μεταξύ των EBC (2f-2h), το οποίο μπορεί να είναι σημαντικό για μια ιεραρχική στρατηγική αναζήτησης πλοήγησης. Το μέγεθος των πεδίων λήψης EBC αυξήθηκε ως συνάρτηση της προτιμώμενης απόστασης (2i), το οποίο δείχνει ότι η ακρίβεια της εγωκεντρικής αναπαράστασης των ορίων αυξάνεται με τη μείωση της απόστασης μεταξύ του τοίχου και του πειραματικού θέματος.
Τόσο ο προτιμώμενος προσανατολισμός όσο και η απόσταση δεν είχαν σαφή τοπογραφία, καθώς τα ενεργά EBC του υποκειμένου με διαφορετικούς προσανατολισμούς και αποστάσεις σε σχέση με τον τοίχο εμφανίζονταν στο ίδιο τετρόδου (2a, 2b, 2e и 2f).
Διαπιστώθηκε επίσης ότι τα EBC ανταποκρίνονται σταθερά στα όρια του χώρου (τοίχοι θαλάμου) σε οποιαδήποτε έκδοση των θαλάμων δοκιμής. Για να επιβεβαιώσουν ότι τα EBC ανταποκρίνονται στα τοπικά όρια του θαλάμου και όχι στα απομακρυσμένα χαρακτηριστικά του, οι επιστήμονες «περιέστρεψαν» τη θέση της κάμερας κατά 45° και έκαναν αρκετούς τοίχους μαύρους, κάνοντάς την διαφορετικό από αυτόν που χρησιμοποιήθηκε σε προηγούμενες δοκιμές.
Τα δεδομένα συλλέχθηκαν τόσο στον κανονικό θάλαμο δοκιμής όσο και στον περιστρεφόμενο θάλαμο. Παρά την αλλαγή στον θάλαμο δοκιμής, όλοι οι προτιμώμενοι προσανατολισμοί και αποστάσεις σε σχέση με τα τοιχώματα των υποκειμένων δοκιμής EBC παρέμειναν ίδιες.
Δεδομένης της σημασίας των γωνιών, εξετάστηκε επίσης η πιθανότητα τα EBC να κωδικοποιούν μοναδικά αυτά τα τοπικά περιβαλλοντικά χαρακτηριστικά. Απομονώνοντας τη διαφορά μεταξύ της απόκρισης κοντά στις γωνίες και της απόκρισης κοντά στο μέσο του τοίχου, εντοπίσαμε ένα υποσύνολο κυττάρων EBC (n = 16, 9,4%) που εμφανίζουν αυξημένη απόκριση στις γωνίες.
Έτσι, μπορούμε να βγάλουμε ένα ενδιάμεσο συμπέρασμα ότι τα κύτταρα EBC είναι αυτά που ανταποκρίνονται καλά στην περίμετρο του θαλάμου, δηλαδή στα τοιχώματα του θαλάμου δοκιμής και στις γωνίες του.
Στη συνέχεια, οι επιστήμονες εξέτασαν εάν η απόκριση των κυττάρων EBC στον ανοιχτό χώρο (μια αρένα δοκιμών χωρίς λαβύρινθο, δηλαδή μόλις 4 τοίχοι) είναι η ίδια για διαφορετικές εκδόσεις της περιοχής της αίθουσας δοκιμών. Πραγματοποιήθηκαν 3 διαδρομές, σε καθένα από τα οποία το μήκος των τοίχων διέφερε από τα προηγούμενα κατά 50 cm.
Ανεξάρτητα από το μέγεθος του θαλάμου δοκιμής, τα EBC ανταποκρίθηκαν στα όριά του στην ίδια απόσταση και προσανατολισμό σε σχέση με το εξεταζόμενο. Αυτό δείχνει ότι η απόκριση δεν κλιμακώνεται με το περιβαλλοντικό μέγεθος.
Εικόνα #3: Σταθερή απόκριση των κυττάρων EBC στα χωρικά όρια.
Επεξηγήσεις για την εικόνα Νο. 3:а — εγωκεντρικοί χάρτες EBC υπό κανονικές συνθήκες (αριστερά) και όταν ο θάλαμος δοκιμής περιστράφηκε κατά 45° (δεξιά).
b — εγωκεντρικοί χάρτες EBC για κάμερα διαστάσεων 1.25 x 1.25 m (αριστερά) και για μεγεθυμένη κάμερα 1.75 x 1.75 m (δεξιά).
с — εγωκεντρικοί χάρτες EBC με κανονικούς μαύρους τοίχους θαλάμου (αριστερά) και με τοίχους με σχέδια (δεξιά).
d-f — γραφήματα της προτιμώμενης απόστασης (πάνω) και αλλαγές στον προτιμώμενο προσανατολισμό σε σχέση με τη γραμμή βάσης (κάτω).
Επειδή το ραβδωτό σώμα λαμβάνει πληροφορίες για το περιβάλλον από διάφορες περιοχές του οπτικού φλοιού του εγκεφάλου, οι επιστήμονες εξέτασαν επίσης αν η εμφάνιση των τοίχων επηρεάζει (3s) θαλάμους στην απόκριση των κυττάρων EBC.
Η αλλαγή της εμφάνισης των ορίων του χώρου δεν είχε καμία επίδραση στην αντίδραση των κυττάρων EBC ή στην απόσταση και τον προσανατολισμό που απαιτούνται για την αντίδραση σε σχέση με το πειραματικό άτομο.
Εικόνα #4: Συνέπεια της απόκρισης των κυττάρων EBC ανεξάρτητα από το περιβάλλον.
Επεξηγήσεις για την εικόνα Νο. 4:а — εγωκεντρικοί χάρτες για EBC σε οικεία (αριστερά) και νέα (δεξιά) περιβάλλοντα.
b — εγωκεντρικοί χάρτες για EBC, που λαμβάνονται στο ίδιο περιβάλλον, αλλά με χρονικό διάστημα.
с — γραφήματα προτιμώμενης απόστασης (πάνω) και αλλαγές στον προτιμώμενο προσανατολισμό σε σχέση με τη γραμμή βάσης (κάτω) για νέα (άγνωστα) περιβάλλοντα.
d — γραφήματα της προτιμώμενης απόστασης (πάνω) και αλλαγές στον προτιμώμενο προσανατολισμό σε σχέση με τη γραμμή βάσης (κάτω) για περιβάλλοντα που έχουν μελετηθεί προηγουμένως (γνωστά).
Διαπιστώθηκε επίσης ότι η απόκριση των κυττάρων EBC, καθώς και ο απαιτούμενος προσανατολισμός και η απόσταση σε σχέση με το πειραματικό άτομο, δεν αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου.
Ωστόσο, αυτή η «χρονισμένη» δοκιμή πραγματοποιήθηκε στον ίδιο θάλαμο δοκιμών. Ήταν επίσης απαραίτητο να ελεγχθεί ποια διαφορά υπήρχε μεταξύ της απόκρισης EBC σε γνωστές συνθήκες και σε νέες. Για να γίνει αυτό, πραγματοποιήθηκαν πολλές δοκιμές όταν οι αρουραίοι μελέτησαν έναν θάλαμο που γνώριζαν ήδη από προηγούμενες δοκιμές και στη συνέχεια νέους θαλάμους με ανοιχτό χώρο.
Όπως ίσως μαντέψατε, η απόκριση κυψελών EBC + επιθυμητός προσανατολισμός/απόσταση παρέμεινε αμετάβλητη στους νέους θαλάμους (4a, 4c).
Έτσι, η απόκριση EBC παρέχει μια σταθερή αναπαράσταση των ορίων του περιβάλλοντος σε σχέση με το εξεταζόμενο σε όλους τους τύπους αυτού του περιβάλλοντος, ανεξάρτητα από την εμφάνιση των τοίχων, την περιοχή του θαλάμου δοκιμής, την κίνησή του και τον χρόνο. το θέμα που πέρασε στην αίθουσα.
Για μια πιο λεπτομερή εξοικείωση με τις αποχρώσεις της μελέτης, συνιστώ να κοιτάξετε и σε αυτόν.
Επίλογος
Σε αυτή την εργασία, οι επιστήμονες μπόρεσαν να επιβεβαιώσουν στην πράξη τη θεωρία μιας εγωκεντρικής αναπαράστασης του περιβάλλοντος, η οποία είναι εξαιρετικά σημαντική για τον προσανατολισμό στο διάστημα. Έδειξαν ότι μεταξύ της αλλοκεντρικής χωρικής αναπαράστασης και της πραγματικής δράσης υπάρχει μια ενδιάμεση διαδικασία που περιλαμβάνει ορισμένα κύτταρα στο ραβδωτό σώμα, που ονομάζονται εγωκεντρικά οριακά κύτταρα (EBC). Διαπιστώθηκε επίσης ότι τα EBC σχετίζονταν περισσότερο με τον έλεγχο της κίνησης ολόκληρου του σώματος και όχι μόνο του κεφαλιού των υποκειμένων.
Η μελέτη αυτή είχε ως στόχο να προσδιορίσει τον πλήρη μηχανισμό προσανατολισμού στο χώρο, όλα τα συστατικά και τις μεταβλητές του. Αυτή η εργασία, σύμφωνα με τους επιστήμονες, θα βοηθήσει περαιτέρω στη βελτίωση των τεχνολογιών πλοήγησης για αυτόνομα αυτοκίνητα και για ρομπότ που θα είναι σε θέση να κατανοήσουν τον χώρο γύρω τους, όπως και εμείς. Οι ερευνητές είναι εξαιρετικά ικανοποιημένοι με τα αποτελέσματα της δουλειάς τους, τα οποία παρέχουν λόγο για να συνεχίσουν να μελετούν τη σχέση μεταξύ ορισμένων περιοχών του εγκεφάλου και τον τρόπο με τον οποίο πραγματοποιείται η πλοήγηση στο διάστημα.
Ευχαριστώ για την ανάγνωση, μείνετε περίεργοι και καλή εβδομάδα παιδιά! 🙂
Σας ευχαριστούμε που μείνατε μαζί μας. Σας αρέσουν τα άρθρα μας; Θέλετε να δείτε πιο ενδιαφέρον περιεχόμενο; Υποστηρίξτε μας κάνοντας μια παραγγελία ή προτείνοντας σε φίλους, Έκπτωση 30% για χρήστες Habr σε ένα μοναδικό ανάλογο διακομιστών εισαγωγικού επιπέδου, που εφευρέθηκε από εμάς για εσάς: (διατίθεται με RAID1 και RAID10, έως 24 πυρήνες και έως 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 φορές φθηνότερο; Μόνο εδώ στην Ολλανδία! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - από 99$! Διαβάστε σχετικά
Πηγή: www.habr.com