Ära eksige kolmes kuuses: egotsentriline keskkonna esitamine

Liikumine on elu. Seda fraasi saab tõlgendada motivatsioonina edasi liikuda, mitte paigal seista ja saavutada soovitut, samuti faktina, et praktiliselt kõik elusolendid viibivad suurema osa oma elust liikumises. Sel eesmärgil kasutab meie aju salvestatud 'kaarte' ümbritsevast keskkonnast, mis ilmuvad alateadlikult meie liikumise hetkel. Siiski on arvamus, et aju rakendab neid kaarte mitte väljastpoolt, kui nii öelda, vaid asetades inimese selle kaardi peale ja kogudes andmeid esmasest vaatenurgast. Selle teooria tõestamiseks tegid Boston University teadlased rea katseid laborirottidega. Kuidas aju tegelikult orienteerub ruumis, millised rakud on sellega seotud ja millisest aspektist on see uurimus kasulik tulevaste autonoomsete autode ja robotite jaoks? Seda uurime uurimisrühma aruandest. Alustame.

Uuringu alus

Nii et juba aastaid tagasi kinnitatud fakt on see, et ajus on peamine osa, mis vastutab ruumilise orienteerumise eest, hippokampus.

Hippokampus osaleb mitmesugustes protsessides: emotsioonide kujunemisel, lühiajalise mälu muutmisel pikaajaliseks ja ruumilise mälu loomisel. Just viimane on nende 'kaartide' allikas, mida meie aju kutsub esile liikumise hetkel, et orienteeruda ruumis tõhusamalt. Teisisõnu, hipokampuses hoitakse kolmemõõtmelisi neuronimudeleid ruumist, kus asub aju omanik.

Hippokampus

On olemas teooria, mis väidab, et tegeliku navigeerimise ja hipokampuse kaartide vahel on vahepealne etapp — nende kaartide muutmine esmasest vaatenurgast. See tähendab, et inimene püüab mõista, kus midagi asub mitte lihtsalt (nagu me näeme tõelistes kaartides), vaid kus midagi asub suhte võrra iseendale (nagu 'tänava vaate' funktsioon Google Mapsis).

Käesoleva töö autorid rõhutavad järgmist: Keskkonna kognitiivsed kaardid kodeeritakse hipokampuses allokitsentrilises süsteemis, kuid motoorika (isegi liikumised) on esitatud egotsentrilises süsteemis.

UFO: Enemy Unknown (allocentric system) ja DOOM (egocentric system).

Erinevus allokitsentrist ja egotsentrist süsteemide vahel sarnaneb erinevusele kolmanda isiku mängude (või külg- ja ülaltvaate mängude) ja esimese isiku vaate mängude vahel. Esimeses juhtumis on meie jaoks oluline keskkond, teises — meie positsioon selle keskkonna suhtes. Seega tuleb allokitsentrilised navigeerimisplaanid tõlkida egotsentrilisse süsteemi, et neid tegelikult rakendada, s.t. liikuda ruumis.

Uurijad usuvad, et dorsomediaalne striatuum (DMS)* mängib ülaltoodud protsessis äärmiselt olulist rolli.

Inimese aju triibuline keha.

Striatuum* — aju osa, mis kuulub basaalsete tuumade koosseisu; striatuum osaleb lihastoonuse, siseorganite ja käitumisreaktsioonide reguleerimises; striatuumi nimetatakse ka "triibuliseks kehaks" selle halli ja valge aine vahelduvate triipude struktuuri tõttu.

DMS näitab neuronite vastuseid, mis on seotud otsuste tegemise ja tegevuste täitmisega seoses ruumis navigeerimisega, seetõttu tuleks seda ajupiirkonda uurida detailsemalt.

Uuringu tulemused

Kuna määrata, kas triibulises kehas (DMS) on olemas/puudub egotsentriline ruumiline teave, implanteeriti 4-le isast rotil 16 tükki tetroode (spetsiaalsed elektroodid, mis on ühendatud vajalikele ajupiirkondadele), suunatud DMS-ile (1a).

Kujutis nr 1: triibulise keha rakud reageerivad keskkonna piiridele egotsentrilises toel.

Selgitused kujutise nr 1 kohta:üle — tetroode asukohad;
b — egotsentriline kaardistus piiridest;
jot — allokitsentrilised ruumilised kaardid (4 ruutu vasakul), rakkude reaktsioonide tippude asukohtade värvikooditud trajektooride graafikud keha positsiooni suhtes ja egotsentrilised kaardid (4 ruutu paremal), mis põhinevad EBC rakkude reaktsioonidel erinevates orientatsioonides ja kaugustes roti ja seina vahel;
d — nagu ka 1C, aga EBC jaoks eelistatud kaugustes, rottidest eemal;
e — nagu ka 1C, kuid kahe tagumise EBC jaoks;
f — jälgitavate rakkude keskmise tulemusliku pikkuse jaotus;
g — EBC keskmise tulemusliku pikkuse jaotus, kasutades liikumissuunda ja pea suunda;
h — rakkude (kõik ja EBC) keskmise vastureaktsiooni jaotus.

Viidi läbi 44 katset, kus rotid kogusid juhuslikult laiali pillutatud toitu tuttavas ruumis (avatud, mitte labürindis). Tulemuseks registreeriti 939 rakku. Kogutud andmete põhjal leiti 31 pea suunda (HDC) rakku, kuid vaid väike osa rakke, täpsemalt 19, omas allotsentrilisi ruumi korrelaate. Sellega seoses jälgiti nende rakkude aktiivsust vaid keskkonna piiride ümber, mis toimus ainult siis, kui rott liikus katsekaamera seinte mööda, mis viitab egotsentrilisele ruumi piire tähistamise skeemile.

Selle egotsentrilise esitlemise võimaluste hindamiseks loodi rakkude aktiivsuse tippväärtuste põhjal egotsentrilised piiride kaardid (1b), mis illustreerivad piiride orientatsiooni ja kaugust roti liikumissuuna suhtes, mitte pea asendi suhtes (võrdlemine 1g).

18% registreeritud rakkudest (171 939-st) näitasid märkimisväärset vastureaktsiooni, kui kaamera piir oli teatud asendis ja orientatsioonis katsealuse suhtes (1f). Teadlased nimetasid neid egotsentriliste piiride rakkudeks (EBC — egocentric boundary cells). Selliste rakkude arv katsealustes oli vahemikus 15 kuni 70, keskmise väärtusega 42.75 (1c, 1d).

Egotsentriliste piiride rakkude seas olid ka sellised, mille aktiivsus vähenes kaamera piiride suhtes. Kokku oli neid 49 ja need nimetati tagumisteks EBC-deks (iEBC). EBC ja iEBC rakkude keskmine vastureaktsiooni näitaja (nende tegevuspotentsiaal) oli piisavalt madal — 1,26 ± 0,09 Hz (1h).

EBC rakkude populatsioon reageerib kõikidele kaamera piiride orientatsiooni ja asendi variantidele katseala suhtes, kuid eelistatud orientatsiooni jaotus on bimodaalne, haripunktidega, mis asuvad vastamisi 180° kaugel loomast (-68° ja 112°), olles veidi nihkunud loomade pika telje normaali suhtes 22° (2d).

Pilt nr 2: eelistatud orientatsioon ja kaugus egotsentriliste piiride rakkude (EBC) vastureaktsiooni jaoks.

Selgitused pildile nr 2:a — enesekeskne piiride kaardid neljale samaaegselt uuritud EBC-le, erinevad eelistatud orientatsioonid on näidatud iga diagrammi kohal;
b — tetrode asukohtade vastavus rakkudele 2a (numbrid viitavad tetrode numbrile);
jot — eelistatud orientatsioonide tõenäosuste jaotus kõigi EBC-de ühe roti jaoks;
d — eelistatud orientatsioonide tõenäosuste jaotus kõigi rottide EBC-de jaoks;
e — tetrode asukohad rakkudele, mis on näidatud 2f;
f — enesekeskne piiride kaardid kuue samaaegselt salvestatud EBC jaoks, erinevad eelistatud kaugused on näidatud iga diagrammi kohal;
g — eelistatud kauguse tõenäosuste jaotus kõigi EBC-de ühe roti jaoks;
h — eelistatud kauguse tõenäosuste jaotus kõigi rottide EBC-de jaoks;
i — polaarne diagramm eelistatud kaugusest ja eelistatud orientatsioonist kõigi EBC-de jaoks, ruumi suurust kujutatakse värvi ja punktide diameetriga.

Eelistatud kauguse jaotuses piirist oli kolm tippu: 6.4, 13.5 ja 25.6 cm, mis viitab kolmele erinevale eelistatud kaugusele EBC-de vahel (2f—2h), mis võivad olla olulised hierarhilise navigeerimise strateegia jaoks. EBC-de retseptiivsete väljade suurus suurenes vastavalt eelistatud kaugusele (2i), mis viitab, et enesekeskse piiride esituse täpsus suureneb seina ja katsealuse vahemaa vähenemisega.

Nii eelistatud orientatsioonis kui ka kauguses puudus selge topograafia, kuna katsealuse aktiivsed EBC-d erinevates orientatsioonides ja kaugustes seina suhtes ilmnesid ühel ja samal tetrode-l (2a, 2b, 2e ja 2f).

Samuti leiti, et EBC-d reageerivad järjekindlalt ruumi piiridele (kaamera seinad) igasugustes katsekaamerate variantides. Selleks, et kinnitada, et EBC-d reageerivad kaamera lokaalsetele piiridele, mitte selle kaugematele omadustele, 'keerasid' teadlased kaamera asukohta 45° ja värvisid mitmed seinad mustaks, muutes selle eelnevalt kasutatud kaamerast erinevaks.

Kogusid andmed nii tavalises testikambris kui ka pööratud. Hoolimata testikambrist tehtud muudatusest jäid kõik eelistatud orienteerumised ja seinte suhtes kaugused EBC katsealuste puhul samaks.

Arvestades nurkade tähtsust, uuriti ka võimalust, et EBC kodeerib neid kohalikud keskkonna atribuute ainulaadselt. EBC rakkude (n = 16; 9,4%) alamhulk, mille reaktsioon nurkade läheduses eristus keskseina lähedal toimunud reaktsioonist, näitas suurenenud reageerimist nurkadele.

Seega võib teha vahekokkuvõtte, et EBC rakud reageerivad suurepäraselt kaamerapiiridele, st testikambrile ja selle nurkadele.

Edasi uurisid teadlased, kas EBC rakkude reaktsioon avatud ruumile (testiala ilma labürindita, st lihtsalt 4 seina) on erinevate testiruumi pindalad erinevates versioonides sama. Tehti 3 katset, millest igas seinte pikkus erines eelnevast 50 cm võrra.

Sõltumata testikambrite suurusest reageeris EBC nende piiridele sama kauguse ja orientatsiooni juures katsealuse suhtes. See näitab, et reaktsioon ei skaala vastavalt ümbritseva keskkonna suurusele.

Kujutis nr 3: EBC rakkude stabiilne reaktsioon ruumi piiridele.

Kujutise nr 3 selgitused:üle — EBC egotsentrilised kaardid normaalsetes tingimustes (vasakul) ja pööratud testikambris 45° (paremal);
b — EBC egotsentrilised kaardid 1.25 x 1.25 m kaameras (vasakul) ja suurendatud kaameras 1.75 x 1.75 m (paremal);
jot — EBC egotsentrilised kaardid tavaliste mustade seintega kaameras (vasakul) ja dekoreeritud seintega (paremal);
d—f — eelistatud kauguste graafikud (ülaservas) ja eelistatud orientatsiooni muutus võrreldes baassuunaga (allservas).

Kuna triibuline keha saab informatsiooni ümbritseva keskkonna kohta mitmest ajukoore piirkonnast, uurisid teadlased ka, kas seinte välimus (3s) mõjutab EBC rakkude reaktsiooni.

Piiride välimuse muutmine ei mõjutanud EBC rakkude reaktsiooni ega vajalikku kaugust ja orientatsiooni katsealuse suhtes.

Kujutis nr 4: EBC rakkude reaktsiooni stabiilsus sõltumata ümbritsevast keskkonnast.

Selgitused pildi nr 4 kohta:üle — ego-kesksed kaardid EBC jaoks tuttavas (vasakul) ja uues (paremal) keskkonnas;
b — ego-kesksed kaardid EBC jaoks, mis saadi sama keskkonna tingimustes, kuid ajavahega;
jot — eelistatud kauguse graafikud (üles) ja eelistatud orienteerituse muutuse graafikud alusjoone suhtes (alla) uute (tundmatute) keskkondade jaoks;
d — eelistatud kauguse graafikud (üles) ja eelistatud orienteerituse muutuse graafikud alusjoone suhtes (alla) eelnevalt uuritud (tuttavates) keskkondade jaoks.

Samuti on leitud, et EBC rakkude reaktsioon, samuti vajalik orienteeritus ja kaugus katsealusest, ei muutu aja jooksul.

Kuid see "ajaliselt" katse viidi läbi samas testikambris. Oli oluline uurida, milline on erinevus EBC reaktsioonis tuntud tingimustele ja uutest. Selleks viidi läbi mitmeid katseid, mil ratsid uurisid kambrist, mida nad juba teavad eelmistest katsetest, ja seejärel uusi avatud ruumi kambridge.

Nagu te juba arvata saate, jäi EBC rakkude reaktsioon + vajalik orienteeritus/kaugus uutes kambrid (4a, 4c).

Seega, EBC reaktsioon tagab stabiilse keskkonna piiride esitlemise katsealuse suhtes kõigis keskkonna tüüpides, olenemata seinte väljanägemisest, testikambrite suurusest, nende liikumisest ja ajast, mille katsealune oli kambris.

Kuna soovin üksikasjalikumalt uurimise nüansse, soovitan tutvuda teadlaste raportiga ja täiendavate materjalidega selle juurde.

Epilog

Käesolevas töös õnnestus teadlastel praktikas kinnitada ego-kesksete keskkonnaesitluste teooriat, mis on äärmiselt oluline ruumis navigeerimise jaoks. Nad tõestasid, et ilmselt on aloksentraliseeritud ruumiline esitus ja tegeliku tegevuse vahel vaheprotsess, milles osalevad teatud riba keha rakud, mida nimetatakse ego-kesksete piiride rakkudeks (EBC). Samuti on leitud, et EBC-d on rohkem seotud kogu keha liikumise juhtimisega, mitte ainult katsealuste pea liikumisega.

See uuring keskendus ruumilise orientatsiooni täieliku mehhanismi, selle komponentide ja muutujate määratlemisele. Teadlastel on selle töö osas lootust, et see aitab tulevikus täiustada navigatsioonitehnoloogiaid isesõitvatele autodele ja robotitele, mis suudavad mõista enda ümber olevat ruumi, nagu me ise. Uurijad on äärmiselt rahul oma töö tulemustega, mis annavad põhjuse jätkata seose uurimist teatud ajupiirkondade ja ruumis navigeerimise vahel.

Tänan tähelepanu eest, jääge uudishimulikuks ja head töönädalat, sõbrad! 🙂

Aitäh, et olete meiega. Kas teile meeldivad meie artiklid? Kas soovite näha rohkem huvitavat sisu? Toetage meid tellimuse esitamise või tuttavatele soovitamisega, 30% allahindlus Habr'i kasutajatele ainulaadsele sissetuleku tasemel serverile, mille oleme teie jaoks välja mõelnud: Kogu tõde VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 tuuma) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps alates $20 või kuidas õigesti serverit jagada? (saadaval RAID1 ja RAID10 variandid, kuni 24 tuuma ja kuni 40GB DDR4).

Dell R730xd kaks korda odavam? Ainult meie juures 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TB alates $199 Hollandis! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — alates $99! Lugege sellest Kuidas luua ettevõtte tasemel infrastruktuuri, kasutades Dell R730xd E5-2650 v4 servereid, mille hind on 9000 eurot, taskukohase hinna eest?

Allikas: habr.com