Liikumine on elu. Seda fraasi võib tõlgendada nii motivatsioonina edasi liikuda, mitte paigal seista ja saavutada seda, mida tahad, kui ka väitena, et peaaegu kõik elusolendid veedavad suurema osa oma elust liikumises. Tagamaks, et meie liigutused ja liikumised ruumis ei lõpeks iga kord konarustega laubal ja väikeste varvaste murdumisega, kasutab meie aju salvestatud keskkonna “kaarte”, mis meie liikumise hetkel alateadlikult esile kerkivad. Siiski on arvamus, et aju kasutab neid kaarte mitte nii-öelda väljastpoolt, vaid asetades inimese sellele kaardile ja kogudes andmeid esimese isiku vaatest. Bostoni ülikooli teadlased otsustasid seda teooriat tõestada, viies läbi rea praktilisi katseid laborirottidega. Kuidas aju ruumis tegelikult navigeerib, millised rakud on sellega seotud ja millist rolli mängib see uurimus autonoomsete autode ja robotite tuleviku jaoks? Sellest saame teada uurimisrühma aruandest. Mine.
Uurimistöö alus
Seega on aastaid tagasi kindlaks tehtud fakt, et peamine ajuosa, mis vastutab kosmoses orienteerumise eest, on hipokampus.
Hipokampus osaleb mitmesugustes protsessides: emotsioonide kujunemises, lühimälu muutumises pikaajaliseks mäluks ja ruumimälu kujunemises. Just viimane on just nende “kaartide” allikas, mille meie aju õigel hetkel kosmoses tõhusamaks orienteerumiseks välja kutsub. Teisisõnu salvestab hipokampus ruumi, milles aju omanik asub, kolmemõõtmelisi närvimudeleid.
Hipokampus
On olemas teooria, mis väidab, et tegeliku navigeerimise ja hipokampusest pärit kaartide vahel on vaheetapp – nende kaartide teisendamine esimese isiku vaateks. See tähendab, et inimene püüab mõista, kus miski asub mitte üldiselt (nagu näeme päris kaartidel), vaid kus miski asub tema suhtes (nagu Google Mapsi funktsioon „tänavavaade”).
Vaadeldava töö autorid rõhutavad järgmist: Hipokampuse formatsioonis on allotsentrilises süsteemis kodeeritud keskkonna kognitiivsed kaardid, egotsentrilises süsteemis aga motoorsed oskused (liigutused ise).
UFO: Enemy Unknown (allotsentriline süsteem) ja DOOM (egotsentriline süsteem).
Allotsentriliste ja egotsentriliste süsteemide erinevus on sarnane kolmanda isiku vaate (või külgvaates, pealtvaates jne) mängude ja esimese isiku vaates olevate mängude erinevusega. Esimesel juhul on meie jaoks oluline keskkond ise, teisel juhul meie positsioon selle keskkonna suhtes. Seega tuleb allotsentrilised navigatsiooniplaanid tegelikuks elluviimiseks konverteerida egotsentriliseks süsteemiks, s.t. liikumine ruumis.
Teadlased usuvad, et see on dorsomediaalne juttkeha (DMS)* mängib ülaltoodud protsessis üliolulist rolli.
Inimese aju juttkeha.
Striatum* - ajuosa, mis kuulub basaalganglionidesse; juttkeha osaleb lihastoonuse, siseorganite ja käitumisreaktsioonide reguleerimises; Juttkeha nimetatakse ka striaumiks, kuna see koosneb vahelduvate halli ja valge aine ribadest.
DMS näitab neuraalseid reaktsioone, mis on seotud kosmoses navigeerimisega seotud otsuste tegemise ja toimingute tegemisega, seega tuleks seda ajupiirkonda üksikasjalikumalt uurida.
Uuringute tulemused
Egotsentrilise ruumiinformatsiooni olemasolu/puudumise määramiseks juttkehas (DMS) implanteeriti 4 isasele rotile kuni 16 tetroodi (spetsiaalsed elektroodid, mis on ühendatud soovitud ajupiirkondadega), mis olid suunatud DMS-ile.1а).
Pilt nr 1: Striataalsete rakkude reaktsioon keskkonnapiiridele egotsentrilises võrdlusraamistikus.
Pildi nr 1 selgitused:а — tetroodide asukohapunktid;
b — egotsentriline piirikaart;
с — allotsentrilised ruumikaardid (4 ruutu vasakul), värvikoodiga trajektoorigraafikud raku vastuse piikide asukohtade kohta kehaasendi suhtes ja egotsentrilised kaardid (4 ruutu paremal), mis põhinevad EBC rakkude reageerimisel erinevates suundades ja kaugused roti ja seina vahel;
d - nagu 1c, kuid EBC jaoks eelistatud kaugustega loomast;
e - nagu 1c, kuid kahe pöördvõrdelise EBC puhul;
f — vaadeldud rakkude keskmise tulemuse jaotus;
g - keskmise saadud pikkuse jaotus EBC jaoks, kasutades liikumissuunda ja pea suunda;
h — rakkude keskmise vastuse jaotus (kõik ja EBC).
Viidi läbi 44 katset, mille käigus rotid kogusid tuttavas ruumis (avatud, mitte labürindis) juhuslikult hajutatud toitu. Selle tulemusena registreeriti 939 rakku. Kogutud andmete põhjal tuvastati 31 peasuunalist rakku (HDC), kuid ainult väikesel osal rakkudest, täpsemalt 19-l, olid allotsentrilised ruumilised korrelatsioonid. Veelgi enam, nende rakkude aktiivsust, mida piirab keskkonna perimeeter, täheldati ainult roti liikumise ajal mööda katsekambri seinu, mis viitab egotsentrilisele skeemile ruumi piiride kodeerimiseks.
Et hinnata sellise egotsentrilise esituse võimalusi, mis põhinevad raku aktiivsuse tipul, koostati egotsentrilised piirikaardid (1b), mis illustreerivad piiride orientatsiooni ja kaugust roti liikumissuuna suhtes, mitte tema pea asendit (võrdlus 1g).
18% registreeritud rakkudest (171 939-st) näitasid olulist reaktsiooni, kui kambri piir hõivas katselise suhtes teatud positsiooni ja orientatsiooni (1f). Teadlased nimetavad neid egotsentrilisteks piirirakkudeks (EBC). egotsentrilised piirirakud). Selliste rakkude arv katsealustel oli vahemikus 15 kuni 70, keskmiselt 42.75 (1c, 1d).
Egotsentriliste piiride rakkude hulgas oli neid, mille aktiivsus kambri piiridele reageerides vähenes. Kokku oli neid 49 ja neid kutsuti pöörd-EBC-deks (iEBC). Keskmine raku reaktsioon (nende aktsioonipotentsiaal) EBC ja iEBC puhul oli üsna madal – 1,26 ± 0,09 Hz (1h).
EBC rakkude populatsioon reageerib kambri piiri kõikidele orientatsioonidele ja asenditele katsealuse suhtes, kuid eelistatud orientatsiooni jaotus on bimodaalne, piigid asuvad 180° üksteise vastas kummalgi pool looma (-68° ja 112°). , mis on looma pikitelje suhtes risti veidi nihutatud 22° võrra (2d).
Pilt nr 2: Eelistatud orientatsioon ja kaugus egotsentriliste piirirakkude (EBC) reageerimisel.
Pildi nr 2 selgitused:a — egotsentrilised piirikaardid nelja samaaegselt uuritud EBC jaoks, mille iga graafiku kohal on näidatud erinevad eelistatud orientatsioonid;
b - tetroodide asukoht vastavalt rakkudele alates 2а (numbrid näitavad tetoodi numbrit);
с — ühe roti kõigi EBC-de eelistatud suundade tõenäosusjaotus;
d — kõigi rottide EBC eelistatud orientatsioonide tõenäosusjaotus;
е — tetroodide asukohad joonisel näidatud rakkude jaoks 2f;
f - kuue samaaegselt salvestatud EBC egotsentrilised piirikaardid, mille iga graafiku kohal on näidatud erinevad eelistatud kaugused;
g — ühe roti kõigi EBC-de eelistatud kauguse tõenäosusjaotus;
h — kõigi rottide EBC eelistatud kauguse tõenäosusjaotus;
i on kõigi EBC-de eelistatud kauguse ja eelistatud orientatsiooni polaargraafik, kus ruumi suurus on tähistatud punktide värvi ja läbimõõduga.
Eelistatud kauguse jaotus piirini sisaldas kolme piiki: 6.4, 13.5 ja 25.6 cm, mis näitab kolme erineva eelistatud kauguse olemasolu EBC vahel (2f-2h), mis võib olla oluline hierarhilise navigatsiooniotsingu strateegia jaoks. EBC vastuvõtuväljade suurus suurenes eelistatud kauguse funktsioonina (2i), mis näitab, et piiride egotsentrilise esituse täpsus suureneb seina ja katsealuse vahelise kauguse vähenemisega.
Nii eelistatud orientatsioonil kui ka kaugusel puudus selge topograafia, kuna samale tetoodile ilmusid katsealuse aktiivsed EBC-d erineva orientatsiooni ja seina suhtes erineva kaugusega (2a, 2b, 2e и 2f).
Samuti leiti, et EBC-d reageerivad järjekindlalt ruumi piiridele (kambri seinad) mis tahes katsekambrite versioonis. Kinnitamaks, et EBC-d reageerivad pigem kambri kohalikele piiridele kui selle distaalsetele tunnustele, "pöörasid" teadlased kaamera asendit 45° ja muutsid mitmed seinad mustaks, muutes selle varasemates katsetes kasutatust erinevaks.
Andmeid koguti nii tavalises katsekambris kui ka pööratud kambris. Vaatamata muutusele katsekambris jäid kõik eelistatud orientatsioonid ja kaugused EBC katsealuste seinte suhtes samaks.
Arvestades nurkade tähtsust, kaaluti ka võimalust, et EBC-d kodeerivad unikaalselt neid kohalikke keskkonnaatribuute. Eraldades erinevuse nurkade lähedal ja seina keskosa lähedal, tuvastasime EBC rakkude alamhulga (n = 16; 9,4, XNUMX%), millel on suurem reaktsioon nurkadele.
Seega võime teha vahepealse järelduse, et just EBC rakud reageerivad hästi kambri perimeetrile ehk katsekambri seintele ja selle nurkadele.
Järgmisena testisid teadlased, kas EBC rakkude reaktsioon avatud ruumile (labürindita katseareen, st ainult 4 seina) on katseruumi ala erinevate versioonide puhul sama. Viidi läbi 3 jooksu, millest igaühel erines seinte pikkus eelmistest 50 cm.
Olenemata katsekambri suurusest reageerisid EBC-d selle piiridele katsealuse suhtes samal kaugusel ja samal orientatsioonil. See näitab, et vastus ei ühti keskkonna suurusega.
Pilt 3: EBC rakkude stabiilne reaktsioon ruumilistele piiridele.
Pildi nr 3 selgitused:а — egotsentrilised EBC kaardid tavatingimustes (vasakul) ja katsekambri pööramisel 45° (paremal);
b — egotsentrilised EBC kaardid kaamerale mõõtmetega 1.25 x 1.25 m (vasakul) ja suurendatud kaamerale 1.75 x 1.75 m (paremal);
с — egotsentrilised EBC kaardid korrapäraste mustade kambriseintega (vasakul) ja mustriliste seintega (paremal);
d-f — eelistatud kauguse (ülemine) ja eelistatud orientatsiooni muutuste graafikud võrreldes lähtejoonega (alumine).
Kuna juttkeha saab keskkonna kohta teavet mitmest aju visuaalse ajukoore piirkonnast, testisid teadlased ka seda, kas seinte välimus mõjutab3c) kambrid EBC rakkude reaktsiooni kohta.
Ruumi piiride välimuse muutmine ei mõjutanud EBC rakkude reaktsiooni ega reaktsiooniks vajalikku kaugust ja orientatsiooni katsealuse suhtes.
Pilt nr 4: EBC raku vastuse järjepidevus olenemata keskkonnast.
Pildi nr 4 selgitused:а — egotsentrilised kaardid EBC jaoks tuttavas (vasakul) ja uues (paremal) keskkondades;
b — egotsentrilised kaardid EBC jaoks, mis on saadud samas keskkonnas, kuid ajaintervalliga;
с — eelistatud kauguse (ülemine) ja eelistatud orientatsiooni muutuste graafikud võrreldes lähtejoonega (alumine) uute (võõraste) keskkondade jaoks;
d — graafikud eelistatud kauguse (ülemine) ja eelistatud orientatsiooni muutuste kohta võrreldes lähtejoonega (alumine) varem uuritud (tuttav) keskkondades.
Samuti leiti, et EBC rakkude reaktsioon, samuti vajalik orientatsioon ja kaugus katsealuse suhtes ei muutu ajas.
Kuid see "ajastatud" test viidi läbi samas katsekambris. Samuti oli vaja kontrollida, mis vahe on EBC reageerimisel teadaolevatele ja uutele tingimustele. Selleks viidi läbi mitu jooksu, kui rotid uurisid kambrit, mida nad juba varasematest katsetest teadsid, ja seejärel uusi avatud ruumiga kambreid.
Nagu võis arvata, jäi EBC raku reaktsioon + soovitud suund/kaugus uutes kambrites muutumatuks (4a, 4c).
Seega annab EBC vastus stabiilse esituse keskkonna piiridest katsealuse suhtes igat tüüpi keskkonnas, sõltumata seinte välimusest, katsekambri pindalast, selle liikumisest ja ajast. kambris veedetud teema.
Uuringu nüanssidega täpsemaks tutvumiseks soovitan vaadata и talle.
Epiloog
Selles töös suutsid teadlased praktikas kinnitada keskkonna egotsentrilise esituse teooriat, mis on ruumis orienteerumiseks äärmiselt oluline. Nad näitasid, et allotsentrilise ruumilise esituse ja tegeliku tegevuse vahel on vaheprotsess, mis hõlmab teatud rakke juttkehas, mida nimetatakse egotsentrilisteks piirirakkudeks (EBC). Samuti selgus, et EBC-d olid rohkem seotud kogu keha, mitte ainult katsealuste pea liikumise kontrollimisega.
Selle uuringu eesmärk oli välja selgitada ruumis orienteerumise täielik mehhanism, kõik selle komponendid ja muutujad. Teadlaste sõnul aitab see töö veelgi täiustada autonoomsete autode ja robotite navigatsioonitehnoloogiaid, mis suudavad neid ümbritsevat ruumi mõista, nagu meiegi. Teadlased on ülimalt rahul oma töö tulemustega, mis annavad põhjust jätkata teatud ajupiirkondade vaheliste seoste ja ruumis navigeerimise elluviimise uurimist.
Täname tähelepanu eest, olge uudishimulikud ja ilusat nädalat kõigile! 🙂
Täname, et jäite meiega. Kas teile meeldivad meie artiklid? Kas soovite näha huvitavamat sisu? Toeta meid, esitades tellimuse või soovitades sõpradele, Habri kasutajatele 30% allahindlus ainulaadsele algtaseme serverite analoogile, mille me teie jaoks välja mõtlesime: (saadaval RAID1 ja RAID10, kuni 24 tuuma ja kuni 40 GB DDR4-ga).
Dell R730xd 2 korda odavam? Ainult siin Hollandis! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – alates 99 dollarist! Millegi kohta lugema
Allikas: www.habr.com