A mozgás az élet. Ez a kifejezés egyrészt motivációként értelmezhető, hogy továbblépjünk, ne álljunk egy helyben, és elérjük, amit akarunk, másrészt pedig annak kijelentéseként, hogy szinte minden élőlény élete nagy részét mozgásban tölti. Annak érdekében, hogy mozgásunk és térbeli mozgásunk ne végződjön minden alkalommal a homlokunkon lévő dudorokkal és a kis lábujjak törésével, agyunk tárolt „térképeket” használ a környezetről, amelyek tudattalanul jelennek meg mozgásunk pillanatában. Van azonban olyan vélemény, hogy az agy ezeket a térképeket nem kívülről használja, hanem úgy, hogy egy embert elhelyez ezen a térképen, és első személyű nézetből gyűjt adatokat. A Bostoni Egyetem tudósai úgy döntöttek, hogy bebizonyítják ezt az elméletet egy sor gyakorlati kísérlettel laboratóriumi patkányokkal. Hogyan navigál az agy az űrben, milyen sejtek vesznek részt benne, és milyen szerepet játszik ez a kutatás az autonóm autók és robotok jövője szempontjából? Erről a kutatócsoport beszámolójából értesülünk. Megy.
Kutatási alap
Tehát sok évvel ezelőtt megállapították, hogy az agynak az űrben való tájékozódásért felelős fő része a hippokampusz.
A hippokampusz számos folyamatban vesz részt: érzelmek kialakulásában, a rövid távú memória átalakulásában hosszú távú emlékezetté, valamint a térbeli memória kialakulásában. Ez utóbbi a forrása azoknak a „térképeknek”, amelyeket agyunk a megfelelő pillanatban előhív a hatékonyabb térbeli tájékozódás érdekében. Más szavakkal, a hippokampusz háromdimenziós idegi modelleket tárol a térről, amelyben az agy tulajdonosa található.
Hippocampus
Van egy elmélet, amely azt állítja, hogy a tényleges navigáció és a hippokampusz térképei között van egy közbülső lépés - ezeknek a térképeknek az átalakítása első személyű nézetté. Vagyis az ember megpróbálja megérteni, hogy valami hol található, nem általában (ahogyan a valódi térképeken látjuk), hanem hol helyezkedik el valami önmagához képest (mint például a Google Maps „utcanézet” funkciója).
Az általunk vizsgált munka szerzői a következőket hangsúlyozzák: A környezet kognitív térképei az allocentrikus rendszerben a hippocampális formációba vannak kódolva, de a motoros készségek (maguk a mozgások) az egocentrikus rendszerben vannak reprezentálva.
UFO: Enemy Unknown (allocentrikus rendszer) és DOOM (egocentrikus rendszer).
Az allocentrikus és egocentrikus rendszerek közötti különbség hasonló a harmadik személy nézetből (vagy oldalnézetből, felülnézetből stb.) és az első személyű nézetből származó játékok közötti különbséghez. Az első esetben maga a környezet fontos számunkra, a második esetben a környezethez viszonyított helyzetünk. Így az allocentrikus navigációs terveket egocentrikus rendszerré kell alakítani a tényleges megvalósításhoz, azaz. mozgás a térben.
A kutatók úgy vélik, hogy ez a dorsomediális striatum (DMS)* létfontosságú szerepet játszik a fenti folyamatban.
Az emberi agy striatumja.
Striatum* - az agy egy része, amely a bazális ganglionokhoz tartozik; a striatum részt vesz az izomtónus, a belső szervek és a viselkedési reakciók szabályozásában; A striatumot „striatumnak” is nevezik, mivel a szürke- és fehérállomány váltakozó sávjaiból áll.
A DMS az űrben való navigációval kapcsolatos döntések meghozatalával és műveletek végrehajtásával kapcsolatos idegi válaszokat mutatja be, ezért az agynak ezt a régióját részletesebben kell tanulmányozni.
Kutatási eredmények
Az egocentrikus térinformáció jelenlétének/hiányának meghatározására a striatumban (DMS) 4 hím patkányba 16 tetródot (az agy kívánt területéhez kapcsolódó speciális elektródákat) ültettek be, amelyek a DMS-t célozták meg.1a).
1. kép: A striatális sejtek válasza a környezeti határokra egocentrikus vonatkoztatási keretben.
Magyarázatok az 1. képhez:а — tetróda elhelyezési pontok;
b — egocentrikus határtérkép;
с - allocentrikus térbeli térképek (4 négyzet a bal oldalon), színkódolt pályagrafikonok a sejtválaszcsúcsok testhelyzethez viszonyított helyéről, valamint egocentrikus térképek (4 négyzet a jobb oldalon), amelyek az EBC-sejtek különböző tájolású reakcióira épülnek, távolság a patkány és a fal között;
d - mint a 1s, de az EBC-hez az állattól való preferált távolságokkal;
e - mint a 1s, de két inverz EBC esetén;
f — a megfigyelt sejtek átlagos kapott hosszának eloszlása;
g - az EBC átlagos eredő hosszának eloszlása a mozgásirány és a fej iránya alapján;
h — a sejtek átlagos válaszának megoszlása (összes és EBC).
44 kísérletet végeztek, amelyben a patkányok véletlenszerűen szétszórt táplálékot gyűjtöttek össze egy ismerős térben (nyitott, nem labirintusban). Ennek eredményeként 939 sejtet rögzítettek. Az összegyűjtött adatokból 31 fejirány sejtet (HDC) azonosítottunk, de a sejteknek csak kis része, egészen pontosan 19 volt allocentrikus térbeli korrelációval. Ráadásul ezeknek a sejteknek a környezet kerülete által korlátozott aktivitását csak a patkánynak a tesztkamra falai mentén történő mozgása során figyelték meg, ami egocentrikus sémára utal a tér határainak kódolására.
A sejtaktivitás csúcsán alapuló egocentrikus reprezentáció lehetőségeinek felmérésére egocentrikus határtérképeket készítettek (1b), amelyek a határok tájolását és távolságát szemléltetik a patkány mozgásának irányához képest, nem pedig a fej helyzetét (összehasonlítás: 1g).
A rögzített cellák 18%-a (171-ből 939) mutatott szignifikáns választ, amikor a kamra határa a kísérletihez képest egy bizonyos pozíciót és tájolást foglalt el (1f). A tudósok egocentrikus határsejteknek (EBC) nevezik őket. egocentrikus határsejtek). Az ilyen sejtek száma a kísérleti alanyokban 15 és 70 között volt, átlagosan 42.75 (1c, 1d).
Az egocentrikus határok sejtjei között voltak olyanok, amelyek aktivitása a kamra határaira reagálva csökkent. Összesen 49 darab volt, és inverz EBC-knek (iEBC) hívták őket. Az átlagos sejtválasz (akciós potenciáljuk) az EBC-ben és az iEBC-ben meglehetősen alacsony volt - 1,26 ± 0,09 Hz (1h).
Az EBC sejtpopuláció a kamrahatár minden tájolására és helyzetére reagál a vizsgált alanyhoz képest, de az előnyben részesített orientáció eloszlása bimodális, a csúcsok 180°-ban egymással szemben helyezkednek el az állat mindkét oldalán (-68° és 112°). , kissé eltolva az állat hossztengelyére merőlegestől 22°-kal (2d).
2. kép: Az egocentrikus határsejtek (EBC) válaszának preferált tájolása és távolsága.
Magyarázatok az 2. képhez:a — egocentrikus határtérképek négy egyidejűleg vizsgált EBC-hez, az egyes grafikonok felett különböző preferált orientációkkal;
b - a tetódák helyzete a celláktól függően 2a (a számok a tetródaszámot jelzik);
с — az előnyben részesített irányok valószínűségi eloszlása egy patkány összes EBC-je esetén;
d — az összes patkány EBC preferált orientációinak valószínűségi eloszlása;
е — tetródapozíciók az ábrán látható cellákhoz 2f;
f - egocentrikus határtérkép hat, egyidejűleg rögzített EBC-hez, az egyes grafikonok felett különböző preferált távolságokkal;
g — az előnyben részesített távolság valószínűségi eloszlása egy patkány összes EBC-je esetén;
h — az összes patkány EBC-jének preferált távolságának valószínűségi eloszlása;
i egy poláris diagram az előnyben részesített távolsággal és preferált tájolással minden EBC-hez, ahol a tér méretét a pontok színe és átmérője jelenti.
A határtól való preferált távolság eloszlása három csúcsot tartalmazott: 6.4, 13.5 és 25.6 cm, ami három különböző preferált távolság jelenlétét jelzi az EBC-k között (2f-2h), ami fontos lehet egy hierarchikus navigációs keresési stratégia szempontjából. Az EBC receptív mezők mérete a preferált távolság függvényében nőtt (2i), ami azt jelzi, hogy a határok egocentrikus ábrázolásának pontossága a fal és a kísérleti alany közötti távolság csökkenésével nő.
Mind az előnyben részesített tájolás, mind a távolság nem tartalmazott egyértelmű domborzatot, mivel az alany aktív EBC-jei különböző tájolással és a falhoz viszonyított távolsággal ugyanazon a tetródon jelentek meg (2a, 2b, 2e и 2f).
Azt is megállapították, hogy az EBC-k következetesen reagálnak a tér határaira (kamrafalak) a tesztkamrák bármely változatában. Annak igazolására, hogy az EBC-k a kamra helyi határaira reagálnak, nem pedig a távoli jellemzőire, a tudósok 45 fokkal "elforgatták" a kamera helyzetét, és több falat feketére tettek, ami különbözik a korábbi tesztekben használtaktól.
Az adatokat a normál tesztkamrában és a forgó kamrában is gyűjtöttük. A tesztkamrában bekövetkezett változás ellenére az EBC vizsgálati alanyok falaihoz képest minden előnyben részesített tájolás és távolság változatlan maradt.
Tekintettel a szögek fontosságára, azt a lehetőséget is figyelembe vették, hogy az EBC-k egyedileg kódolják ezeket a helyi környezeti jellemzőket. A sarkokhoz közeli válasz és a fal közepe közötti válasz közötti különbség elkülönítésével azonosítottuk az EBC-sejtek egy részhalmazát (n = 16; 9,4%), amelyek fokozott választ mutatnak a sarkokra.
Így köztes következtetést vonhatunk le, hogy az EBC sejtek reagálnak jól a kamra kerületére, vagyis a tesztkamra falaira és sarkaira.
Ezután a tudósok azt tesztelték, hogy az EBC-sejtek válasza a nyílt térre (labirintus nélküli tesztaréna, azaz mindössze 4 fal) azonos-e a tesztszoba területének különböző változataiban. 3 menetet hajtottak végre, amelyekben a falak hossza 50 cm-rel tért el a korábbiaktól.
A tesztkamra méretétől függetlenül az EBC-k a vizsgálati alanyhoz képest azonos távolságban és tájolásban reagáltak annak határaira. Ez azt jelzi, hogy a válasz nem skálázódik a környezet méretéhez.
3. kép: Az EBC-sejtek stabil válasza a térbeli határokra.
Magyarázatok az 3. képhez:а — egocentrikus EBC-térképek normál körülmények között (balra) és amikor a tesztkamrát 45°-kal elfordították (jobbra);
b — egocentrikus EBC-térképek egy 1.25 x 1.25 m-es (balra) és egy 1.75 x 1.75 m-es (jobbra) nagyított kamerához;
с — egocentrikus EBC-térképek szabályos fekete kamrafalakkal (balra) és mintás falakkal (jobbra);
d-f — grafikonok az előnyben részesített távolságról (fent) és az előnyben részesített tájolás változásairól az alapvonalhoz képest (lent).
Mivel a striatum az agy látókéregének több területéről kap információt a környezetről, a tudósok azt is megvizsgálták, hogy a falak megjelenése befolyásolja-e a3s) kamrák az EBC sejtek válaszára.
A térhatárok megjelenésének megváltoztatása nem befolyásolta az EBC sejtek reakcióját, illetve a reakcióhoz szükséges távolságot és orientációt a kísérleti alanyhoz képest.
4. kép: Az EBC sejtválasz konzisztenciája a környezettől függetlenül.
Magyarázatok az 4. képhez:а — egocentrikus térképek az EBC számára ismerős (bal) és új (jobb) környezetben;
b — egocentrikus térképek az EBC-hez, ugyanabban a környezetben, de időintervallumban;
с — az előnyben részesített távolság (fent) és az előnyben részesített tájolás változásai az alapvonalhoz (lent) képest új (ismeretlen) környezetek esetén;
d — grafikonok az előnyben részesített távolságról (fent) és az előnyben részesített tájolás változásairól az alapvonalhoz (lent) képest a korábban vizsgált (ismerős) környezetekben.
Azt is megállapították, hogy az EBC sejtek válaszreakciója, valamint a kísérleti alanyhoz képest szükséges tájékozódás és távolság nem változik az idő múlásával.
Ezt az "időzített" tesztet azonban ugyanabban a tesztkamrában végezték el. Azt is ellenőrizni kellett, hogy milyen különbség van az EBC válasza között az ismert és az új állapotokra. Ennek érdekében több kísérletet is végeztek, amikor a patkányok egy kamrát tanulmányoztak, amelyet a korábbi tesztekből már ismertek, majd új, nyitott terű kamrákat.
Ahogy azt már sejtette, az EBC sejt válasz + a kívánt tájolás/távolság változatlan maradt az új kamrákban (4a, 4c).
Így az EBC válasz stabilan reprezentálja a környezet határait a tesztalanyhoz viszonyítva a környezet minden típusában, függetlenül a falak megjelenésétől, a tesztkamra területétől, mozgásától és az időtől. a kamrában eltöltött téma.
A tanulmány árnyalatainak részletesebb megismeréséhez javaslom, hogy tekintse meg и neki.
Epilógus
Ebben a munkában a tudósok meg tudták igazolni a gyakorlatban a környezet egocentrikus ábrázolásának elméletét, amely rendkívül fontos a térben való tájékozódás szempontjából. Kimutatták, hogy az allocentrikus térbeli reprezentáció és a tényleges cselekvés között van egy köztes folyamat, amely a striatum bizonyos sejtjeit érinti, ezeket egocentrikus határsejteknek (EBC) nevezik. Azt is megállapították, hogy az EBC-k inkább az egész test mozgásának vezérléséhez kapcsolódnak, nem csak a tesztalanyok fejéhez.
Ennek a tanulmánynak az volt a célja, hogy meghatározza a térben való tájékozódás teljes mechanizmusát, annak összes összetevőjét és változóját. A tudósok szerint ez a munka tovább segíti az autonóm autók és a robotok navigációs technológiáinak fejlesztését, amelyek képesek lesznek megérteni az őket körülvevő teret, akárcsak mi. A kutatók rendkívül elégedettek munkájuk eredményeivel, amelyek okot adnak arra, hogy folytassák az agy egyes területei közötti kapcsolat és az űrben való navigáció közötti kapcsolat tanulmányozását.
Köszönöm a figyelmet, maradjatok kíváncsiak és szép hetet mindenkinek! 🙂
Köszönjük, hogy velünk tartott. Tetszenek cikkeink? További érdekes tartalmakat szeretne látni? Támogass minket rendeléssel vagy ajánlj ismerőseidnek, 30% kedvezmény a Habr felhasználóknak a belépő szintű szerverek egyedülálló analógjára, amelyet mi találtunk ki Önnek: (RAID1 és RAID10, akár 24 maggal és akár 40 GB DDR4-gyel is elérhető).
Dell R730xd kétszer olcsóbb? Csak itt Hollandiában! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 dollártól! Olvasni valamiről
Forrás: will.com