Le mouvement c'est la vie. Cette phrase peut être interprétée à la fois comme une motivation pour aller de l'avant, ne pas rester immobile et réaliser ce que vous voulez, et comme une déclaration du fait que presque tous les êtres vivants sont en mouvement la plupart de leur vie. Afin de s'assurer que nos mouvements et mouvements dans l'espace ne se terminent pas à chaque fois par des bosses sur nos fronts et des petits doigts cassés sur nos jambes, notre cerveau utilise les «cartes» enregistrées de l'environnement qui apparaissent inconsciemment au moment de notre mouvement . Cependant, il existe une opinion selon laquelle le cerveau utilise ces cartes non pas de côté, pour ainsi dire, mais en plaçant une personne sur cette carte et en collectant des données lorsqu'elles sont vues de la première personne. Des scientifiques de l'Université de Boston ont décidé de prouver cette théorie en menant une série d'expériences pratiques avec des rats de laboratoire. Comment le cerveau navigue-t-il réellement dans l'espace, quelles cellules sont impliquées et quel rôle cette recherche joue-t-elle pour l'avenir des voitures et des robots autonomes ? Nous l'apprenons dans le rapport du groupe de recherche. Aller.
Base de recherche
Ainsi, le fait établi il y a de nombreuses années est que la partie principale du cerveau responsable de l'orientation dans l'espace est l'hippocampe.
L'hippocampe est impliqué dans divers processus : la formation des émotions, la transformation de la mémoire à court terme en mémoire à long terme et la formation de la mémoire spatiale. C'est cette dernière qui est à l'origine des « cartes » mêmes que notre cerveau appelle au bon moment pour une orientation plus efficace dans l'espace. En d'autres termes, l'hippocampe stocke des modèles neuronaux tridimensionnels de l'espace à l'intérieur duquel se trouve le propriétaire du cerveau.
Hippocampe
Il existe une théorie selon laquelle il existe une étape intermédiaire entre la navigation réelle et les cartes de l'hippocampe - la transformation de ces cartes en une vue à la première personne. C'est-à-dire qu'une personne essaie de comprendre où quelque chose ne se trouve pas du tout (comme on le voit sur de vraies cartes), mais où quelque chose sera situé par rapport à lui (comme la fonction "street view" dans Google Maps).
Les auteurs du travail que nous envisageons insistent sur ce qui suit : les cartes cognitives de l'environnement sont encodées dans la formation hippocampique dans le système allocentrique, mais les habiletés motrices (les mouvements eux-mêmes) sont représentées dans le système égocentrique.
OVNI : Enemy Unknown (système allocentrique) et DOOM (système égocentrique).
La différence entre les systèmes allocentriques et égocentriques est comme la différence entre les jeux à la troisième personne (ou vue de côté, vue de dessus, etc.) et les jeux à la première personne. Dans le premier cas, l'environnement lui-même est important pour nous, dans le second, notre position par rapport à cet environnement. Ainsi, les plans de navigation allocentriques doivent être convertis en un système égocentrique pour une mise en œuvre réelle, c'est-à-dire mouvement dans l'espace.
Les chercheurs croient que c'est le dorsomédial striatum (DMS)* joue un rôle important dans le processus ci-dessus.
Le striatum du cerveau humain.
Striatum* - partie du cerveau appartenant aux ganglions de la base ; le striatum est impliqué dans la régulation du tonus musculaire, des organes internes et des réponses comportementales ; Le striatum est aussi appelé "striatum" en raison de sa structure de bandes alternées de matière grise et blanche.
Le DMS démontre les réponses neuronales associées à la prise de décision et à l'action en relation avec la navigation spatiale, de sorte que cette région du cerveau devrait être étudiée plus en détail.
Résultats de l'étude
Afin de déterminer la présence / l'absence d'informations spatiales égocentriques dans le striatum (DMS), 4 rats mâles ont été implantés avec jusqu'à 16 tétrodes (électrodes spéciales connectées aux zones souhaitées du cerveau) ciblant le DMS (1a).
Image #1 : Réponse des cellules striatales aux limites environnementales dans un cadre de référence égocentrique.
Explications pour l'image #1 :а - points de localisation des tétrodes ;
b - carte égocentrique des frontières ;
с - des cartes spatiales allocentriques (4 carrés à gauche), des tracés de trajectoire à code couleur des emplacements des pics de réponse cellulaire par rapport à la position du corps et des cartes égocentriques (4 carrés à droite) basées sur la réponse des cellules EBC à diverses orientations et distances entre le rat et le mur;
d - un fils 1с, mais pour EBC avec des distances préférées de l'animal ;
e - un fils 1с, mais pour deux EBC inverses ;
f — distribution de la longueur moyenne résultante pour les cellules observées ;
g - la distribution de la longueur moyenne résultante pour EBC en fonction du sens de déplacement et de la direction de la tête ;
h — distribution de la réponse moyenne des cellules (totale et EBC).
Quarante-quatre expériences ont été menées lorsque des rats ont collecté de la nourriture dispersée au hasard dans un espace qui leur était familier (ouvert, pas dans un labyrinthe). En conséquence, 44 cellules ont été enregistrées. À partir des données recueillies, la présence de 939 cellules de direction de la tête (HDC) a été établie, cependant, seule une petite partie des cellules, et plus précisément 31, avaient des corrélats spatiaux allocentriques. Dans le même temps, l'activité de ces cellules, limitée par le périmètre de l'environnement, n'a été observée que lors du déplacement du rat le long des parois de la chambre d'essai, ce qui suggère un schéma égocentrique d'encodage des limites de l'espace.
Pour évaluer les possibilités d'une telle représentation égocentrique, basée sur des indicateurs d'activité cellulaire de pointe, des cartes des limites égocentriques ont été créées (1b), qui illustrent l'orientation et la distance des bordures par rapport au sens de déplacement du rat, et non la position de sa tête (comparaison avec 1g).
18% des cellules capturées (171 sur 939) ont montré une réponse significative lorsque la limite de la chambre occupait une certaine position et orientation par rapport au sujet (1f). Les scientifiques les ont appelées cellules limites égocentriques (EBC). cellules limites égocentriques). Le nombre de ces cellules chez les sujets expérimentaux variait de 15 à 70 avec une moyenne de 42.75 (1c, 1d).
Parmi les cellules des limites égocentriques, il y avait celles dont l'activité diminuait en réponse aux limites de la chambre. Il y en avait 49 au total et ils étaient appelés EBC inversés (iEBC). L'indice moyen de réponse cellulaire (leur potentiel d'action) dans EBC et iEBC était assez faible - 1,26 ± 0,09 Hz (1h).
La population EBC répond à toutes les orientations et positions de la limite de la chambre par rapport au sujet, mais la distribution de l'orientation préférée est bimodale avec des pics situés à 180° en face l'un de l'autre de chaque côté de l'animal (-68° et 112°), étant légèrement décalé de la perpendiculaire au grand axe de l'animal de 22° (2d).
Image #2 : Orientation et espacement préférés pour la réponse des cellules limites égocentriques (EBC).
Explications pour l'image #2 :a - des cartes de limites égocentriques pour quatre EBC étudiés simultanément avec différentes orientations préférées indiquées au-dessus de chaque graphique ;
b - la position des tétrodes en fonction des cellules de 2a (les chiffres indiquent le numéro de tétrode);
с — distribution de probabilité des orientations préférées pour tous les EBC d'un rat ;
d — distribution de probabilité des orientations préférées pour l'EBC de tous les rats ;
е - la position des tétrodes pour les cellules représentées sur 2f;
f — des cartes de limites égocentriques pour six EBC enregistrés simultanément avec différentes distances préférées indiquées au-dessus de chaque graphique ;
g est la distribution de probabilité de la distance préférée pour tous les EBC d'un rat ;
h est la distribution de probabilité de la distance préférée pour l'EBC de tous les rats ;
i - tracé polaire de la distance préférée et de l'orientation préférée pour tous les EBC avec la taille de l'espace représentée par la couleur et le diamètre des points.
La distribution de la distance préférée à la limite contenait trois pics : 6.4, 13.5 et 25.6 cm, indiquant la présence de trois distances préférées différentes entre les EBC (2f-2h) qui peut être important pour une stratégie de recherche de navigation hiérarchique. La taille des champs récepteurs EBC augmentait avec la distance préférée (2i), indiquant une augmentation de la précision de la représentation égocentrique des limites à mesure que la distance entre le mur et le sujet diminue.
Il n'y avait pas de topographie claire à la fois dans l'orientation préférée et la distance, car les EBC actifs du sujet avec des orientations et des distances différentes du mur apparaissaient sur la même tétrode (2a, 2b, 2e и 2f).
Il a également été constaté que l'EBC répondait de manière stable aux limites de l'espace (murs de la chambre) dans toutes les chambres d'essai. Pour confirmer que les EBC répondent aux limites locales de la chambre plutôt qu'à ses caractéristiques distales, les scientifiques ont « tourné » la position de la caméra de 45° et rendu plusieurs murs noirs, ce qui la rend différente de celles utilisées dans les tests précédents.
Les données ont été recueillies à la fois dans une chambre d'essai conventionnelle et dans une chambre en rotation. Malgré le changement dans la chambre de test, toutes les orientations et distances préférées par rapport aux murs des sujets de test EBC sont restées les mêmes.
Compte tenu de l'importance des angles, la possibilité que les EBC codent de manière unique ces attributs environnementaux locaux a également été envisagée. En isolant la différence entre la réponse près des coins et la réponse près du milieu du mur, un sous-ensemble de cellules EBC (n = 16 ; 9,4 %) ont été identifiées qui montrent une réponse accrue aux coins.
Ainsi, nous pouvons faire une conclusion intermédiaire que ce sont les cellules EBC qui répondent parfaitement au périmètre de la chambre, c'est-à-dire aux parois de la chambre de test et à ses coins.
Ensuite, les scientifiques ont testé si la réponse des cellules EBC à un espace ouvert (une arène de test sans labyrinthe, c'est-à-dire seulement 4 murs) est la même pour différentes tailles de salle de test. Trois visites ont été effectuées, dans chacune desquelles la longueur des murs différait des précédentes de 3 cm.
Quelle que soit la taille de la chambre de test, EBC a répondu à ses limites à la même distance et orientation par rapport au sujet de test. Cela indique que la réponse ne s'adapte pas à la taille de l'environnement.
Image #3 : réponse stable des cellules EBC aux limites de l'espace.
Explications pour l'image #3 :а — cartes EBC égocentriques dans des conditions normales (à gauche) et lorsque la chambre d'essai a été tournée de 45° (à droite) ;
b — cartes EBC égocentriques pour une chambre de 1.25 x 1.25 m (à gauche) et pour une chambre agrandie de 1.75 x 1.75 m (à droite) ;
с — cartes EBC égocentriques avec des murs de chambre noirs ordinaires (à gauche) et avec des murs à motifs (à droite) ;
d-f - des graphiques de la distance préférée (en haut) et des changements d'orientation préférée par rapport à la ligne de base (en bas).
Étant donné que le striatum reçoit des informations sur l'environnement de plusieurs zones du cortex visuel, les scientifiques ont également testé si l'apparence des parois était affectée (3с) chambres pour la réaction des cellules EBC.
Changer l'apparence des limites de l'espace n'a eu aucun effet sur la réaction des cellules EBC et la distance et l'orientation requises pour la réaction par rapport au sujet.
Image #4 : Stabilité de la réponse des cellules EBC quel que soit l'environnement.
Explications pour l'image #4 :а — cartes égocentriques pour EBC dans des environnements familiers (à gauche) et nouveaux (à droite) ;
b - cartes égocentriques pour EBC obtenues dans le même environnement, mais avec un intervalle de temps ;
с - Graphiques de distance préférée (en haut) et de changement d'orientation préférée par rapport à la ligne de base (en bas) pour les nouveaux environnements (non familiers) ;
d - des graphiques de la distance préférée (en haut) et du changement d'orientation préférée par rapport à la ligne de base (en bas) pour les environnements précédemment étudiés (familiers).
Il a également été constaté que la réponse des cellules EBC, ainsi que l'orientation et la distance requises par rapport au sujet, ne changent pas avec le temps.
Cependant, ce test "temporaire" a été réalisé dans la même chambre de test. Il était également nécessaire de vérifier quelle est la différence entre la réaction de l'EBC aux conditions connues et aux conditions nouvelles. Pour ce faire, plusieurs visites ont été effectuées, lorsque les rats ont étudié la chambre, qu'ils connaissaient déjà des tests précédents, puis de nouvelles chambres à espace ouvert.
Comme vous l'avez peut-être deviné, la réponse des cellules EBC + orientation/distance souhaitée est restée inchangée dans les nouvelles chambres (4a, 4c).
Ainsi, la réaction EBC fournit une représentation stable des limites de l'environnement par rapport au sujet de test dans tous les types de cet environnement, quels que soient l'aspect des murs, la surface de la chambre de test, son mouvement, et le temps passé par le sujet de test dans la chambre.
Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je recommande de regarder и pour lui.
Le final
Dans ce travail, les scientifiques ont réussi à confirmer dans la pratique la théorie de la représentation égocentrique de l'environnement, qui est extrêmement importante pour l'orientation dans l'espace. Ils ont prouvé qu'il existe un processus intermédiaire entre la représentation spatiale allocentrique et l'action réelle, auquel participent certaines cellules du striatum, appelées cellules de bordure égocentriques (EBC). Il a également été constaté que les EBC étaient davantage liés au contrôle des mouvements de tout le corps, et pas seulement de la tête des sujets.
Cette étude visait à déterminer le mécanisme complet d'orientation dans l'espace, toutes ses composantes et variables. Ce travail, selon les scientifiques, contribuera encore à améliorer les technologies de navigation pour les voitures autonomes et pour les robots capables de comprendre l'espace qui les entoure, comme nous le faisons. Les chercheurs sont extrêmement enthousiasmés par les résultats de leurs travaux, ce qui donne des raisons de continuer à étudier la relation entre certaines zones du cerveau et la façon dont l'espace est navigué.
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Source: habr.com