El movimiento es vida. Esta frase puede interpretarse tanto como una motivación para avanzar, no quedarse parado y alcanzar lo deseado, como una constatación de que prácticamente todos los seres vivos pasan la mayor parte de su vida en movimiento. Para que nuestros movimientos y desplazamientos en el espacio no terminen cada vez con golpes en la frente y dedos meñiques lastimados, nuestro cerebro utiliza «mapas» del entorno almacenados, que emergen inconscientemente en el momento de nuestro movimiento. Sin embargo, hay quienes opinan que el cerebro aplica estos mapas de una manera no exterior, por así decirlo, sino colocando a la persona en este mapa y recopilando datos desde una perspectiva en primera persona. Investigadores de la Universidad de Boston decidieron probar esta teoría realizando una serie de experimentos prácticos con ratas de laboratorio. ¿Cómo se orienta realmente el cerebro en el espacio, qué células se activan y qué papel juega esta investigación para el futuro de los automóviles autónomos y los robots? Lo descubriremos en el informe del grupo de investigación. ¡Empecemos!
Base de la investigación
Así que el hecho establecido hace años es que la parte principal del cerebro responsable de la orientación en el espacio es el hipocampo.
El hipocampo participa en una variedad de procesos: la formación de emociones, la conversión de la memoria a corto plazo en memoria a largo plazo y la formación de memoria espacial. Esta última es la fuente de esos mismos «mapas» que nuestro cerebro evoca para una orientación más eficiente en el espacio. En otras palabras, en el hipocampo se almacenan modelos neuronales tridimensionales del espacio en el que se encuentra el poseedor del cerebro.
Hipocampo
Existe una teoría que afirma que entre la navegación real y los mapas del hipocampo hay un paso intermedio: la conversión de estos mapas en una vista en primera persona. Es decir, la persona intenta entender dónde está ubicado cada elemento no de manera general (como vemos en mapas reales), sino dónde estará cada cosa en relación con ella misma (como la función «vista de calle» en Google Maps).
Los autores del trabajo que estamos considerando enfatizan lo siguiente: Los mapas cognitivos del entorno se codifican en la formación hipocampal en un sistema allocéntrico, pero la motricidad (los propios movimientos) se representa en un sistema egocéntrico.
UFO: Enemy Unknown (sistema allocéntrico) y DOOM (sistema egocéntrico).
La diferencia entre los sistemas allocéntrico y egocéntrico es similar a la diferencia entre los juegos en tercera persona (o desde una vista lateral, superior, etc.) y los juegos en primera persona. En el primer caso, lo importante es el propio entorno; en el segundo, nuestra posición con respecto a ese entorno. Así, los planes de navegación allocéntricos deben ser transformados en un sistema egocéntrico para su implementación efectiva, es decir, el movimiento en el espacio.
Los investigadores creen que es el estriado dorsomedial (DMS)* el que desempeña un papel crucial en el proceso descrito anteriormente.
El cuerpo estriado del cerebro humano.
El estriado* es una parte del cerebro que pertenece a los núcleos basales; el estriado participa en la regulación del tono muscular, de los órganos internos y de las reacciones conductuales; se le llama también "cuerpo estriado" debido a su estructura alternante de bandas de sustancia gris y blanca.
El DMS muestra respuestas neuronales relacionadas con la toma de decisiones y la ejecución de acciones en relación con la navegación en el espacio, por lo que esta área del cerebro debe ser estudiada más a fondo.
Resultados de la investigación
Para determinar la presencia/ausencia de información espacial egocéntrica en el cuerpo estriado (DMS), se implantaron hasta 16 tetrodos (electrodos especiales conectados a las áreas necesarias del cerebro) en 4 machos de ratas, dirigidos al DMS (1a).
Imagen No. 1: reacción de las células del cuerpo estriado a los límites del entorno en un sistema de referencia egocéntrico.
Explicaciones para la imagen No. 1:y — puntos de ubicación de los tetrodos;
b — mapa egocéntrico de los límites;
con — mapas espaciales allocéntricos (4 cuadrados a la izquierda), gráficos de trayectorias con codificación por colores de las ubicaciones de los picos de reacción celular en relación con la posición del cuerpo y mapas egocéntricos (4 cuadrados a la derecha) basados en la reacción celular EBC a diferentes orientaciones y distancias entre la rata y la pared;
d — así como en 1c, pero para EBC con distancias preferidas alejadas del animal;
e — así como en 1c, pero para dos EBC inversos;
f — distribución de la longitud resultante media para las células observadas;
g — distribución de la longitud resultante media para EBC utilizando la dirección del movimiento y la dirección de la cabeza;
h — distribución de la respuesta media de las células (todas y EBC).
Se realizaron 44 experimentos en los que las ratas recolectaban comida dispersa al azar en un espacio familiar (abierto, no en un laberinto). Como resultado, se registraron 939 células. De los datos recolectados, se identificaron 31 células de dirección de cabeza (HDC), sin embargo, solo una pequeña parte de las células, concretamente 19, tenían correlatos espaciales alocéntricos. La actividad de estas células, limitada al perímetro del entorno, solo se observó mientras la rata se movía a lo largo de las paredes de la cámara de prueba, lo que sugiere un esquema de codificación egocéntrico de los límites del espacio.
Para evaluar las capacidades de tal representación egocéntrica basada en los picos de actividad celular, se crearon mapas egocéntricos de los límites (1b), que ilustran la orientación y la distancia de los límites en relación con la dirección del movimiento de la rata, y no con la posición de su cabeza (comparación en 1g).
El 18% de las células registradas (171 de 939) mostraron una respuesta significativa cuando el límite de la cámara ocupaba una posición y orientación específicas en relación al sujeto (1f). Los científicos las denominaron células de límites egocéntricos (EBC — egocentric boundary cells). El número de estas células en los sujetos variaba de 15 a 70, con un promedio de 42.75 (1c, 1d).
Entre las células de límites egocéntricos, había algunas cuya actividad disminuía en respuesta a los límites de la cámara. En total, había 49 y se les llamó EBC inversos (iEBC). El promedio de respuesta celular (su potencial de acción) en EBC e iEBC fue bastante bajo — 1.26 ± 0.09 Hz (1h).
La población de células EBC reacciona a todas las variantes de orientación y posición del límite de la cámara en relación con el sujeto, pero la distribución de la orientación preferida es bimodal, con picos ubicados a 180° uno frente al otro a ambos lados del animal (-68° y 112°), ligeramente desplazados del perpendicular al eje largo del animal en 22° (2d).
Imagen №2: orientación preferida y distancia para la respuesta de las células egocéntricas de límite (EBC).
Explicaciones para la imagen №2:a — mapas egocéntricos de límites para cuatro EBC investigadas simultáneamente con diferentes orientaciones preferidas, indicadas sobre cada gráfico;
b — posición de los tetrodos en relación con las células de 2a (los números indican el número del tetrodo);
con — distribución de probabilidades de orientaciones preferidas para todas las EBC de una rata;
d — distribución de probabilidades de orientaciones preferidas para las EBC de todas las ratas;
e — posición de los tetrodos para células mostradas en 2f;
f — mapas egocéntricos de límites para seis EBC grabadas simultáneamente con diferentes distancias preferidas, indicadas sobre cada gráfico;
g — distribución de probabilidades de distancia preferida para todas las EBC de una rata;
h — distribución de probabilidades de distancia preferida para las EBC de todas las ratas;
i — gráfico polar de distancia preferida y orientación preferida para todas las EBC, con el tamaño del espacio representado por el color y el diámetro de los puntos.
La distribución de distancia preferida hasta el límite contenía tres picos: 6.4, 13.5 y 25.6 cm, indicando la presencia de tres diferentes distancias preferidas entre las EBC (2f—2h), que pueden ser importantes para la estrategia de búsqueda de navegación jerárquica. El tamaño de los campos receptivos de las EBC aumentaba en función de la distancia preferida (2i), lo que indica un aumento de la precisión en la representación egocéntrica de los límites a medida que disminuye la distancia entre la pared y el sujeto.
Tanto en la orientación preferida como en la distancia, no había una topografía clara, ya que los EBC activos del sujeto con diferentes orientaciones y distancias en relación con la pared aparecían en el mismo tetrodo (2a, 2b, 2e y 2f).
También se encontró que los EBC responden de manera consistente a los límites del espacio (paredes de la cámara) en cualquier variación de las cámaras de prueba. Para confirmar que los EBC responden a los límites locales de la cámara y no a sus características distales, los científicos ‘giramó’ la posición de la cámara en 45° y pintaron varias paredes de negro, haciéndola diferente a la utilizada en pruebas anteriores.
Se recopilaron datos tanto en la cámara de pruebas normal como en la rotada. A pesar de los cambios en la cámara de pruebas, todas las orientaciones y distancias preferidas respecto a las paredes para los sujetos EBC permanecieron constantes.
Considerando la importancia de los ángulos, también se analizó la posibilidad de que los EBC codificaran de manera única estos atributos ambientales locales. Al extraer la diferencia entre la reacción cerca de los ángulos y la reacción cerca del medio de la pared, se identificó un subconjunto de células EBC (n = 16; 9.4%) que mostraron una respuesta aumentada a los ángulos.
Por lo tanto, se puede concluir provisionalmente que las células EBC responden perfectamente al perímetro de la cámara, es decir, a las paredes de la cámara de pruebas y a sus ángulos.
A continuación, los científicos verificaron si la reacción de las células EBC al espacio abierto (arena de prueba sin laberinto, es decir, simplemente 4 paredes) era la misma en diferentes variaciones del área de la sala de pruebas. Se realizaron 3 intentos, cada uno con una longitud de paredes diferente en 50 cm respecto al anterior.
Independientemente de las dimensiones de la cámara de pruebas, los EBC reaccionaron a sus límites a la misma distancia y orientación respecto al sujeto. Esto indica la ausencia de escalado de la reacción según el tamaño del entorno.
Imagen No. 3: reacción estable de las células EBC a los límites del espacio.
Explicaciones de la imagen No. 3:y — mapas egocéntricos de EBC en condiciones normales (a la izquierda) y con la cámara de pruebas girada 45° (a la derecha);
b — mapas egocéntricos de EBC para una cámara de 1.25 x 1.25 m (a la izquierda) y para una cámara ampliada de 1.75 x 1.75 m (a la derecha);
con — mapas egocéntricos de EBC con paredes de cámara negras normales (a la izquierda) y con paredes estampadas (a la derecha);
d—f — gráficos de la distancia preferida (en la parte superior) y el cambio en la orientación preferida respecto a la línea base (en la parte inferior).
Dado que el cuerpo estriado recibe información sobre el entorno de varias áreas de la corteza visual del cerebro, los científicos también comprobaron si la apariencia de las paredes (3c) de la cámara afectaba la reacción de las células EBC.
El cambio en la apariencia de los límites del espacio no afectó la reacción de las células EBC ni la distancia y orientación necesarias para la reacción respecto al sujeto.
Imagen No. 4: estabilidad de la reacción de las células EBC independientemente del entorno.
Explicaciones de la imagen Nº 4:y — mapas egocéntricos para EBC en un entorno familiar (izquierda) y uno nuevo (derecha);
b — mapas egocéntricos para EBC, obtenidos en un entorno igual, pero con un intervalo temporal;
con — gráficos de la distancia preferida (en la parte superior) y el cambio de la orientación preferida respecto a la línea base (en la parte inferior) para entornos nuevos (desconocidos);
d — gráficos de la distancia preferida (en la parte superior) y el cambio de la orientación preferida respecto a la línea base (en la parte inferior) para entornos previamente estudiados (conocidos).
También se estableció que la reacción de las células EBC, así como la orientación y distancia necesarias en relación al sujeto, no cambian con el tiempo.
Sin embargo, esta prueba "temporal" se llevó a cabo en la misma cámara de prueba. También era necesario verificar la diferencia entre la reacción de EBC ante condiciones conocidas y nuevas. Para ello se realizaron varias pruebas, donde las ratas exploraron una cámara que ya conocían de pruebas anteriores, seguida de nuevas cámaras con espacio abierto.
Como ya habrán adivinado, la reacción de las células EBC + la orientación/distancia necesarias permanecieron inalteradas en las nuevas cámaras (4a, 4c).
Así, la reacción de EBC garantiza una representación estable de los límites del entorno respecto al sujeto, independientemente de la apariencia de las paredes, el tamaño de la cámara de prueba, su movimiento y el tiempo que el sujeto pasa en la cámara.
Para un conocimiento más detallado de las sutilezas de la investigación, recomiendo echar un vistazo a y a ello.
Epílogo
En este trabajo, los científicos pudieron confirmar prácticamente la teoría de la representación egocéntrica del entorno, lo cual es crucial para la orientación espacial. Demostraron que entre la representación espacial alocéntrica y la acción real hay un proceso intermedio, en el que participan ciertas células del cuerpo estriado, denominadas células de límites egocéntricos (EBC). También se estableció que las EBC están más vinculadas al control del movimiento del cuerpo entero, y no solo de la cabeza del sujeto.
Este estudio tiene como objetivo identificar el mecanismo completo de orientación espacial, así como todos sus componentes y variables. Este trabajo, según los científicos, ayudará a mejorar las tecnologías de navegación para vehículos autónomos y robots que puedan comprender el espacio que los rodea, tal como lo hacemos nosotros. Los investigadores están extremadamente satisfechos con los resultados de su trabajo, que brindan bases para continuar investigando la relación entre ciertas áreas del cerebro y la forma en que se realiza la navegación en el espacio.
¡Gracias por su atención, sigan siendo curiosos y que tengan una buena semana laboral, chicos! 🙂
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Fuente: habr.com
