Liikkuminen on elämää. Tämä lause voidaan tulkita sekä motivaatioksi siirtyä eteenpäin, olla seisomatta paikallaan ja saavuttaa haluamasi, että toteamukseksi siitä, että melkein kaikki elävät olennot ovat liikkeessä suurimman osan elämästään. Varmistaaksemme, etteivät liikkeemme ja liikkeemme avaruudessa pääty kolhuihin otsassamme ja murtuneisiin pieniin sormiin jaloissamme joka kerta, aivomme käyttävät tallennettuja ympäristön "karttoja", jotka tiedostamatta ilmestyvät liikkeemme hetkellä. . On kuitenkin olemassa mielipide, että aivot eivät käytä näitä kortteja niin sanotusti ulkopuolelta, vaan asettamalla henkilön tälle kortille ja keräämällä tietoja ensimmäisestä henkilöstä katsottuna. Bostonin yliopiston tutkijat päättivät todistaa tämän teorian suorittamalla sarjan käytännön kokeita laboratoriorotilla. Miten aivot todella navigoivat avaruudessa, mitkä solut ovat mukana ja mikä rooli tällä tutkimuksella on autonomisten autojen ja robottien tulevaisuuden kannalta? Opimme tästä tutkimusryhmän raportista. Mennä.
Tutkimuspohja
Joten monta vuotta sitten todettu tosiasia on, että aivojen pääosa, joka vastaa avaruudessa suuntautumisesta, on hippokampus.
Hippokampus osallistuu useisiin prosesseihin: tunteiden muodostumiseen, lyhytaikaisen muistin muuttamiseen pitkäaikaismuistiin ja spatiaalisen muistin muodostumiseen. Juuri jälkimmäinen on niiden "karttojen" lähde, joita aivomme kutsuvat oikealla hetkellä tehokkaampaan avaruuteen suuntautumiseen. Toisin sanoen hippokampus tallentaa kolmiulotteisia hermomalleja tilasta, jossa aivojen omistaja sijaitsee.
Hippokampus
On olemassa teoria, jonka mukaan todellisen navigoinnin ja hippokampuksen karttojen välillä on välivaihe - näiden karttojen muuntaminen ensimmäisen persoonan näkymäksi. Eli henkilö yrittää ymmärtää, missä jokin ei sijaitse ollenkaan (kuten näemme todellisissa kartoissa), vaan missä jokin sijaitsee suhteessa häneen (kuten Google Mapsin "katunäkymä"-toiminto).
Käsittelemämme työn kirjoittajat korostavat seuraavaa: Ympäristön kognitiiviset kartat ovat koodattuina allosentrisessä systeemissä hippokampuksen muodostukseen, mutta itsekeskisessä järjestelmässä motoriset taidot (itse liikkeet) ovat edustettuina.
UFO: Enemy Unknown (allosentrinen järjestelmä) ja DOOM (itsekeskinen järjestelmä).
Ero allosentristen ja egosentristen järjestelmien välillä on kuin ero kolmannen persoonan pelien (tai sivukuva, ylhäältä katsottuna jne.) ja ensimmäisen persoonan pelien välillä. Ensimmäisessä tapauksessa itse ympäristö on meille tärkeä, toisessa asemamme suhteessa tähän ympäristöön. Siten allosentriset navigointisuunnitelmat on muutettava itsekeskeiseksi järjestelmäksi varsinaista toteutusta varten, ts. liikettä avaruudessa.
Tutkijat uskovat, että se on dorsomediaalinen striatum (DMS)* sillä on tärkeä rooli yllä olevassa prosessissa.
Ihmisaivojen striatum.
Striatum* - aivojen osa, joka kuuluu tyviganglioihin; striatum osallistuu lihasjänteen, sisäelinten ja käyttäytymisvasteiden säätelyyn; Striatumia kutsutaan myös "juovioksi" sen rakenteen vuoksi, jossa on vuorottelevia harmaan ja valkoisen aineen vyöhykkeitä.
DMS osoittaa hermovasteet, jotka liittyvät päätöksentekoon ja toimiin suhteessa spatiaaliseen navigointiin, joten tätä aivojen aluetta tulisi tutkia tarkemmin.
Tutkimuksen tulokset
Itsekeskisen spatiaalisen tiedon läsnäolon/puuttumisen määrittämiseksi striatumissa (DMS) 4 urosrottaan istutettiin jopa 16 tetrodia (erityiset elektrodit, jotka on kytketty haluttuihin aivoalueisiin), jotka kohdistuivat DMS:ään (1a).
Kuva #1: Striatal-solujen vaste ympäristön rajoihin itsekeskeisessä viitekehyksessä.
Kuvan #1 selitykset:а - tetrodien sijaintipisteet;
b - itsekeskeinen rajojen kartta;
с — allosentriset spatiaaliset kartat (4 ruutua vasemmalla), värikoodatut liikeratakuvaajat solujen vastehuippujen sijainnista suhteessa kehon asentoon ja egosentrinset kartat (4 ruutua oikealla), jotka perustuvat EBC-solujen vasteeseen eri suunnassa ja etäisyydet rotan ja seinän välillä;
d - poika 1s, mutta EBC:lle suositellun etäisyyden päässä eläimestä;
e - poika 1s, mutta kahdelle käänteiselle EBC:lle;
f on havaittujen solujen keskimääräisen tuloksena olevan pituuden jakauma;
g - EBC:lle saadun keskimääräisen pituuden jakautuminen liikesuunnan ja pään suunnan perusteella;
h — solujen keskimääräisen vasteen jakautuminen (kokonais- ja EBC).
Tehtiin 44 koetta, kun rotat keräsivät satunnaisesti hajallaan olevaa ruokaa heille tutussa tilassa (avoimessa, ei sokkelossa). Tuloksena rekisteröitiin 939 solua. Kerätyistä tiedoista todettiin 31 head direction -solun (HDC:n) läsnäolo, mutta vain pienellä osalla soluista, tarkemmin sanottuna 19:llä, oli allosentrisiä spatiaalisia korrelaatioita. Samanaikaisesti näiden solujen aktiivisuutta, jota ympäristön kehä rajoittaa, havaittiin vain rotan liikkeen aikana testikammion seiniä pitkin, mikä viittaa itsekeskiseen järjestelmään tilan rajojen koodaamiseksi.
Sellaisen itsekeskeisen esityksen mahdollisuuksien arvioimiseksi, perustuen huippusolujen aktiivisuusindikaattoreihin, luotiin egosentriset rajakartat (1b), jotka kuvaavat rajojen suuntausta ja etäisyyttä suhteessa rotan liikesuuntaan, eivät sen pään asentoa (vertailu 1g).
18 % siepatuista soluista (171/939) osoitti merkittävää vastetta, kun kammion raja oli tietyssä paikassa ja suunnassa suhteessa kohteeseen (1f). Tiedemiehet kutsuivat niitä egosentrisiksi rajasoluiksi (EBC). itsekeskeiset rajasolut). Tällaisten solujen määrä koehenkilöissä vaihteli 15:stä 70:een, keskimäärin 42.75 (1c, 1d).
Egokeskisten rajojen solujen joukossa oli niitä, joiden aktiivisuus väheni vasteena kammion rajoihin. Niitä oli kaikkiaan 49 ja niitä kutsuttiin käänteisiksi EBC:iksi (iEBC). Keskimääräinen soluvasteen indeksi (niiden toimintapotentiaali) EBC:ssä ja iEBC:ssä oli melko alhainen - 1,26 ± 0,09 Hz (1h).
EBC-populaatio reagoi kaikkiin kammion rajan suuntauksiin ja asentoihin suhteessa kohteeseen, mutta suositellun suunnan jakauma on bimodaalinen huipuilla, jotka sijaitsevat 180° vastapäätä toisiaan kummallakin puolella eläintä (-68° ja 112°). hieman siirtynyt kohtisuorasta eläimen pituusakseliin nähden 22° (2d).
Kuva 2: Suositeltu suunta ja väli itsekeskisen rajasolun (EBC) vasteelle.
Kuvan #2 selitykset:a - egosentrinen rajakartat neljälle samanaikaisesti tutkitulle EBC:lle, joilla on erilaiset suositellut suunnat kunkin kaavion yläpuolella;
b - tetrodien sijainti kennojen mukaisesti 2a (numerot osoittavat tetrodin numeron);
с — haluttujen suuntausten todennäköisyysjakauma yhden rotan kaikille EBC:ille;
d — kaikkien rottien EBC:n ensisijaisten suuntausten todennäköisyysjakauma;
е - tetrodien sijainti kohdassa näytetyille kennoille 2f;
f — itsekeskeiset rajakartat kuudelle samanaikaisesti tallennetulle EBC:lle, joissa kunkin kaavion yläpuolella on ilmoitettu eri ensisijaiset etäisyydet;
g on suositellun etäisyyden todennäköisyysjakauma yhden rotan kaikille EBC:ille;
h on kaikkien rottien EBC:n suositellun etäisyyden todennäköisyysjakauma;
i - Polaarinen kaavio halutusta etäisyydestä ja ensisijaisesta suunnasta kaikille EBC:ille, joissa tilan koko on esitetty värillä ja pisteen halkaisijalla.
Suositeltavan etäisyyden jakauma rajaan sisälsi kolme huippua: 6.4, 13.5 ja 25.6 cm, mikä osoittaa kolmen eri suositellun etäisyyden olemassaolon EBC:iden välillä (2f-2h), jotka voivat olla tärkeitä hierarkkisen navigointihakustrategian kannalta. EBC-vastaanottokenttien koko kasvoi halutun etäisyyden mukaan (2i), mikä osoittaa rajojen itsekeskisen esityksen tarkkuuden lisääntymistä seinän ja kohteen välisen etäisyyden pienentyessä.
Selkeää topografiaa ei ollut sekä suositeltavassa suunnassa että etäisyydellä, koska kohteen aktiiviset EBC:t eri suunnassa ja eri etäisyyksillä seinästä ilmestyivät samalle tetrodille (2a, 2b, 2e и 2f).
Havaittiin myös, että EBC reagoi vakaasti tilan rajoihin (kammion seinämiin) missä tahansa testikammiossa. Vahvistaakseen, että EBC:t reagoivat kammion paikallisiin rajoihin pikemminkin kuin sen distaalisiin piirteisiin, tutkijat "käänsivät" kameran asentoa 45° ja tekivät useista seinistä mustia, mikä teki siitä erilaisen kuin aiemmissa testeissä käytetyt.
Tiedot kerättiin sekä tavanomaisessa testikammiossa että pyöritetyssä kammiossa. Huolimatta testikammion muutoksesta, kaikki suositellut suunnat ja etäisyydet suhteessa EBC-koehenkilöiden seiniin pysyivät samoina.
Kulmien tärkeyden vuoksi harkittiin myös mahdollisuutta, että EBC:t koodaavat ainutlaatuisesti nämä paikalliset ympäristöominaisuudet. Erottamalla ero reaktion lähellä kulmia ja vasteen lähellä seinän keskiosaa, tunnistettiin EBC-solujen osajoukko (n = 16; 9,4 %), jotka osoittavat lisääntynyttä vastetta kulmiin.
Siten voimme tehdä välipäätelmän, että juuri EBC-kennot reagoivat täydellisesti kammion kehään, eli testikammion seiniin ja sen kulmiin.
Seuraavaksi tutkijat testasivat, onko EBC-solujen vaste avoimeen tilaan (koeareena ilman labyrinttia, eli vain 4 seinää) sama eri koehuoneiden kooksilla. Tehtiin kolme käyntiä, joissa jokaisessa seinien pituus poikkesi aikaisemmista 3 cm.
Koekammion koosta riippumatta EBC vastasi rajoihinsa samalla etäisyydellä ja samalla suunnalla koehenkilöön nähden. Tämä osoittaa, että vastaus ei skaalaudu ympäristön koon mukaan.
Kuva #3: EBC-solujen vakaa vaste avaruuden rajoihin.
Kuvan #3 selitykset:а — itsekeskeiset EBC-kartat normaaleissa olosuhteissa (vasemmalla) ja kun testikammiota käännettiin 45° (oikea);
b — itsekeskeiset EBC-kartat kammiolle, jonka mitat ovat 1.25 x 1.25 m (vasemmalla) ja suurennetulle kammiolle, jonka koko on 1.75 x 1.75 m (oikealla);
с — itsekeskeiset EBC-kartat, joissa on tavalliset mustat kammion seinät (vasemmalla) ja kuvioseinät (oikealla);
d-f - kaaviot halutusta etäisyydestä (ylhäältä) ja suositellun suunnan muutoksista suhteessa perusviivaan (alhaalla).
Koska striatum saa tietoa ympäristöstä useilta näkökuoren alueilta, tutkijat testasivat myös, vaikuttaako seinien ulkonäkö (3s) kammiot EBC-solujen reaktiota varten.
Avaruuden rajojen ulkoasun muuttamisella ei ollut vaikutusta EBC-solujen reaktioon eikä reaktion vaatimaan etäisyyteen ja orientaatioon suhteessa kohteeseen.
Kuva 4: EBC-soluvasteen vakaus ympäristöstä riippumatta.
Kuvan #4 selitykset:а — itsekeskeiset kartat EBC:lle tutuissa (vasemmalla) ja uusissa (oikealla) ympäristöissä;
b - egosentrinen kartat EBC:lle, jotka on saatu samassa ympäristössä, mutta aikavälillä;
с - Kaaviot suositellusta etäisyydestä (ylhäältä) ja suositellun suunnan muutoksesta suhteessa perusviivaan (alhaalla) uusia (vieraat) ympäristöjä varten;
d - kaaviot ensisijaisesta etäisyydestä (ylhäältä) ja suositellun suunnan muutoksesta suhteessa perusviivaan (alhaalla) aiemmin tutkituissa (tutuissa) ympäristöissä.
Havaittiin myös, että EBC-solujen vaste, samoin kuin vaadittu suuntaus ja etäisyys kohteeseen nähden, eivät muutu ajan myötä.
Tämä "väliaikainen" testi suoritettiin kuitenkin samassa testikammiossa. Oli myös tarpeen tarkistaa, mikä ero on EBC:n reaktiolla tunnettuihin ja uusiin olosuhteisiin. Tätä varten tehtiin useita käyntejä, jolloin rotat tutkivat kammiota, jonka he tuntevat jo aikaisemmista testeistä, ja sitten uusia kammioita, joissa oli avoin tila.
Kuten ehkä arvasitkin, EBC-solujen vaste + haluttu suunta/etäisyys pysyi muuttumattomana uusissa kammioissa (4a, 4c).
Siten EBC-reaktio tarjoaa vakaan esityksen ympäristön rajoista suhteessa koehenkilöön kaikissa tämän ympäristön tyypeissä riippumatta seinien ulkonäöstä, testikammion pinta-alasta, sen liikkeestä ja aika, jonka koehenkilö viettää kammiossa.
Jos haluat tutustua tarkemmin tutkimuksen vivahteisiin, suosittelen katsomaan и hänelle.
Epilogi
Tässä työssä tutkijat onnistuivat vahvistamaan käytännössä teorian ympäristön itsekeskeisestä esityksestä, mikä on erittäin tärkeää avaruudessa suuntautumisen kannalta. He osoittivat, että allosentrinen spatiaalisen esityksen ja todellisen toiminnan välillä on väliprosessi, johon osallistuvat tietyt striatumin solut, joita kutsutaan egosentrisiksi rajasoluiksi (EBC). Todettiin myös, että EBC:t liittyivät enemmän koko kehon liikkeen hallintaan, ei vain koettavien pään.
Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli määrittää koko avaruudessa suuntautumismekanismi, kaikki sen komponentit ja muuttujat. Tämä työ auttaa tutkijoiden mukaan edelleen parantamaan navigointitekniikoita autonomisille autoille ja roboteille, jotka ymmärtävät ympärillään olevaa tilaa, kuten mekin. Tutkijat ovat erittäin innoissaan työnsä tuloksista, jotka antavat aihetta jatkaa aivojen tiettyjen alueiden välisen suhteen ja avaruudessa navigoinnin välisen suhteen tutkimista.
Kiitos huomiosta, pysykää utelias ja mukavaa viikkoa kaikille! 🙂
Kiitos, että pysyt kanssamme. Pidätkö artikkeleistamme? Haluatko nähdä mielenkiintoisempaa sisältöä? Tue meitä tekemällä tilauksen tai suosittelemalla ystäville, 30 %:n alennus Habr-käyttäjille ainutlaatuisesta lähtötason palvelimien analogista, jonka me keksimme sinulle: (saatavana RAID1:n ja RAID10:n kanssa, jopa 24 ydintä ja jopa 40 Gt DDR4-muistia).
Dell R730xd 2 kertaa halvempi? Vain täällä Alankomaissa! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - alkaen 99 dollaria! Lukea
Lähde: will.com