Gerakan adalah kehidupan. Ungkapan ini dapat diartikan baik sebagai motivasi untuk maju, tidak berdiam diri dan mencapai apa yang diinginkan, maupun sebagai pernyataan fakta bahwa hampir semua makhluk hidup menghabiskan sebagian besar hidupnya untuk bergerak. Untuk memastikan bahwa gerakan dan gerakan kita di luar angkasa tidak berakhir dengan benjolan di dahi dan patah pada jari kelingking setiap saat, otak kita menggunakan “peta” lingkungan yang tersimpan yang secara tidak sadar muncul pada saat kita bergerak. Namun, ada pendapat bahwa otak menggunakan peta ini bukan dari luar, tetapi dengan menempatkan seseorang di peta ini dan mengumpulkan data dari sudut pandang orang pertama. Para ilmuwan dari Universitas Boston memutuskan untuk membuktikan teori ini dengan melakukan serangkaian percobaan praktis dengan tikus laboratorium. Bagaimana sebenarnya otak bernavigasi di luar angkasa, sel apa saja yang terlibat, dan apa peran penelitian ini bagi masa depan mobil dan robot otonom? Kami mempelajari hal ini dari laporan kelompok riset. Pergi.
Dasar penelitian
Jadi, fakta yang terungkap bertahun-tahun yang lalu adalah bahwa bagian utama otak yang bertanggung jawab atas orientasi dalam ruang adalah hipokampus.
Hipokampus terlibat dalam berbagai proses: pembentukan emosi, transformasi memori jangka pendek menjadi memori jangka panjang, dan pembentukan memori spasial. Yang terakhir inilah yang menjadi sumber “peta” yang dipanggil otak kita pada saat yang tepat untuk orientasi yang lebih efektif dalam ruang. Dengan kata lain, hipokampus menyimpan model saraf tiga dimensi dari ruang di mana pemilik otak berada.
Hipokampus
Ada teori yang menyatakan bahwa antara navigasi sebenarnya dan peta dari hipokampus, ada langkah perantara - mengubah peta ini menjadi tampilan orang pertama. Artinya, seseorang mencoba memahami di mana letak sesuatu tidak secara umum (seperti yang kita lihat di peta nyata), tetapi di mana sesuatu akan ditempatkan relatif terhadap dirinya (seperti fungsi “street view” di Google Maps).
Para penulis karya yang sedang kami pertimbangkan menekankan hal berikut: Peta kognitif lingkungan dikodekan dalam formasi hipokampus dalam sistem alosentris, namun keterampilan motorik (gerakan itu sendiri) direpresentasikan dalam sistem egosentris.
UFO: Musuh Tidak Diketahui (sistem alosentris) dan DOOM (sistem egosentris).
Perbedaan antara sistem alosentris dan egosentris mirip dengan perbedaan antara permainan dari sudut pandang orang ketiga (atau tampak samping, tampak atas, dll.) dan permainan dari sudut pandang orang pertama. Dalam kasus pertama, lingkungan itu sendiri penting bagi kita, dalam kasus kedua, posisi kita dalam kaitannya dengan lingkungan ini. Dengan demikian, rencana navigasi alosentris harus diubah menjadi sistem egosentris untuk implementasi aktual, yaitu. pergerakan di ruang angkasa.
Para peneliti percaya bahwa itu adalah dorsomedial striatum (DMS)* memainkan peran penting dalam proses di atas.
Striatum otak manusia.
striatum* - bagian otak milik ganglia basal; striatum terlibat dalam pengaturan tonus otot, organ dalam dan reaksi perilaku; Striatum juga disebut “striatum” karena strukturnya berupa pita materi abu-abu dan putih yang berselang-seling.
DMS menunjukkan respons saraf yang terkait dengan pengambilan keputusan dan melakukan tindakan terkait navigasi di ruang angkasa, sehingga wilayah otak ini harus dipelajari lebih detail.
Hasil penelitian
Untuk menentukan ada/tidaknya informasi spasial egosentris di striatum (DMS), 4 ekor tikus jantan ditanamkan hingga 16 tetroda (elektroda khusus yang dihubungkan ke area otak yang diinginkan) yang menargetkan DMS (1a).
Gambar #1: Respon sel striatal terhadap batas lingkungan dalam kerangka acuan egosentris.
Penjelasan untuk gambar no.1:а — titik lokasi tetroda;
b — peta batas egosentris;
с — peta spasial alosentris (4 kotak di sebelah kiri), plot lintasan berkode warna dari lokasi puncak respons sel relatif terhadap posisi tubuh, dan peta egosentris (4 kotak di sebelah kanan) berdasarkan respons sel EBC pada berbagai orientasi dan jarak antara tikus dan dinding;
d - seperti dalam 1s, tetapi untuk EBC dengan jarak yang lebih disukai dari hewan;
e - seperti dalam 1s, tapi untuk dua EBC terbalik;
f — distribusi rata-rata panjang yang dihasilkan untuk sel-sel yang diamati;
g - distribusi rata-rata panjang yang dihasilkan untuk EBC menggunakan arah gerakan dan arah kepala;
h — distribusi respon rata-rata sel (semua dan EBC).
44 percobaan dilakukan di mana tikus mengumpulkan makanan yang tersebar secara acak di ruang yang familiar (terbuka, bukan di labirin). Hasilnya, 939 sel tercatat. Dari data yang dikumpulkan, 31 sel pengarah kepala (HDC) diidentifikasi, tetapi hanya sebagian kecil dari sel, tepatnya 19 sel, yang memiliki korelasi spasial alosentris. Selain itu, aktivitas sel-sel ini, yang dibatasi oleh keliling lingkungan, hanya diamati selama pergerakan tikus di sepanjang dinding ruang uji, yang menunjukkan skema egosentris untuk mengkodekan batas-batas ruang.
Untuk menilai kemungkinan representasi egosentris berdasarkan aktivitas sel puncak, peta batas egosentris dibuat (1b), yang menggambarkan orientasi dan jarak batas relatif terhadap arah pergerakan tikus, bukan posisi kepalanya (perbandingan dengan 1g).
18% dari sel yang direkam (171 dari 939) menunjukkan respons yang signifikan ketika batas ruangan menempati posisi dan orientasi tertentu dibandingkan dengan sel eksperimental (1f). Para ilmuwan menyebutnya sel batas egosentris (EBC). sel batas egosentris). Jumlah sel tersebut pada subjek percobaan berkisar antara 15 sampai 70 dengan rata-rata 42.75 (1c, 1d).
Di antara sel-sel batas egosentris, ada pula yang aktivitasnya menurun sebagai respons terhadap batas-batas ruang tersebut. Totalnya ada 49 dan disebut inverse EBC (iEBCs). Respon sel rata-rata (potensial aksi) pada EBC dan iEBC cukup rendah - 1,26 ± 0,09 Hz (1h).
Populasi sel EBC merespons semua orientasi dan posisi batas ruang relatif terhadap subjek uji, tetapi distribusi orientasi yang disukai adalah bimodal dengan puncak terletak 180° berlawanan satu sama lain di kedua sisi hewan (-68° dan 112°) , sedikit diimbangi dari tegak lurus terhadap sumbu panjang hewan sebesar 22° (2d).
Gambar #2: Orientasi dan jarak yang disukai untuk respons sel batas egosentris (EBC).
Penjelasan untuk gambar no.2:a — peta batas egosentris untuk empat EBC yang diperiksa secara bersamaan dengan orientasi pilihan berbeda yang ditunjukkan di atas setiap grafik;
b - posisi tetroda sesuai dengan sel dari 2a (angka menunjukkan nomor tetrode);
с — distribusi probabilitas orientasi pilihan untuk semua EBC pada satu tikus;
d — distribusi probabilitas orientasi pilihan EBC pada semua tikus;
е — posisi tetrode untuk sel yang ditunjukkan pada 2f;
f - peta batas egosentris untuk enam EBC yang direkam secara bersamaan dengan jarak pilihan berbeda yang ditunjukkan di atas setiap grafik;
g — distribusi probabilitas jarak pilihan untuk semua EBC dari satu tikus;
h — distribusi probabilitas jarak yang disukai untuk EBC semua tikus;
i adalah plot kutub dengan jarak pilihan dan orientasi pilihan untuk semua EBC, dengan ukuran ruang diwakili oleh warna dan diameter titik.
Distribusi jarak pilihan ke batas terdapat tiga puncak: 6.4, 13.5 dan 25.6 cm, yang menunjukkan adanya tiga jarak pilihan berbeda antar EBC (2f-2h), yang mungkin penting untuk strategi pencarian navigasi hierarki. Ukuran bidang reseptif EBC meningkat sebagai fungsi dari jarak yang diinginkan (2i), yang menunjukkan bahwa keakuratan representasi batas egosentris meningkat seiring dengan berkurangnya jarak antara dinding dan subjek eksperimen.
Orientasi dan jarak pilihan tidak memiliki topografi yang jelas, karena EBC aktif subjek dengan orientasi dan jarak berbeda relatif terhadap dinding muncul pada tetrode yang sama (2a, 2b, 2e и 2f).
Ditemukan juga bahwa EBC secara konsisten merespons batas ruang (dinding ruang) di versi ruang uji mana pun. Untuk memastikan bahwa EBC merespons batas lokal ruangan dibandingkan fitur distalnya, para ilmuwan "memutar" posisi kamera sebesar 45° dan membuat beberapa dinding menjadi hitam, menjadikannya berbeda dari yang digunakan dalam pengujian sebelumnya.
Data dikumpulkan baik di ruang uji normal maupun di ruang uji yang diputar. Meskipun ada perubahan pada ruang uji, semua orientasi dan jarak yang disukai relatif terhadap dinding subjek uji EBC tetap sama.
Mengingat pentingnya sudut, kemungkinan bahwa EBC secara unik mengkodekan atribut-atribut lingkungan lokal juga dipertimbangkan. Dengan mengisolasi perbedaan antara respons di dekat sudut dan respons di dekat bagian tengah dinding, kami mengidentifikasi subset sel EBC (n = 16; 9,4%) yang menunjukkan peningkatan respons terhadap sudut.
Dengan demikian, kita dapat membuat kesimpulan antara bahwa sel EBClah yang merespons dengan baik keliling ruangan, yaitu dinding ruang uji dan sudutnya.
Selanjutnya, para ilmuwan menguji apakah respons sel EBC terhadap ruang terbuka (arena pengujian tanpa labirin, yaitu hanya 4 dinding) sama untuk versi area ruang pengujian yang berbeda. Dilakukan 3 kali run, yang masing-masing panjang dindingnya berbeda 50 cm dari yang sebelumnya.
Terlepas dari ukuran ruang uji, EBC merespons batas-batasnya pada jarak dan orientasi yang sama terhadap subjek uji. Hal ini menunjukkan bahwa respons yang diberikan tidak disesuaikan dengan ukuran lingkungan.
Gambar #3: Respon sel EBC yang stabil terhadap batas spasial.
Penjelasan untuk gambar no.3:а — peta EBC egosentris dalam kondisi normal (kiri) dan ketika ruang uji diputar 45° (kanan);
b — peta EBC egosentris untuk kamera berukuran 1.25 x 1.25 m (kiri) dan untuk kamera yang diperbesar 1.75 x 1.75 m (kanan);
с — peta EBC egosentris dengan dinding ruang hitam biasa (kiri) dan dinding berpola (kanan);
d-f — grafik jarak pilihan (atas) dan perubahan orientasi pilihan relatif terhadap garis dasar (bawah).
Karena striatum menerima informasi tentang lingkungan dari beberapa area korteks visual otak, para ilmuwan juga menguji apakah tampilan dinding mempengaruhi (3s) ruang pada respon sel EBC.
Mengubah tampilan batas ruang tidak berpengaruh pada reaksi sel EBC atau pada jarak dan orientasi yang diperlukan untuk reaksi relatif terhadap subjek eksperimen.
Gambar #4: Konsistensi respons sel EBC terlepas dari lingkungannya.
Penjelasan untuk gambar no.4:а — peta egosentris untuk EBC di lingkungan yang familiar (kiri) dan baru (kanan);
b — peta egosentris untuk EBC, diperoleh di lingkungan yang sama, tetapi dengan interval waktu;
с — grafik jarak pilihan (atas) dan perubahan orientasi pilihan relatif terhadap garis dasar (bawah) untuk lingkungan baru (yang tidak dikenal);
d — grafik jarak pilihan (atas) dan perubahan orientasi pilihan relatif terhadap garis dasar (bawah) untuk lingkungan yang dipelajari sebelumnya (familiar).
Ditemukan juga bahwa respons sel EBC, serta orientasi dan jarak yang diperlukan relatif terhadap subjek eksperimen, tidak berubah seiring waktu.
Namun, pengujian "berwaktu" ini dilakukan di ruang pengujian yang sama. Penting juga untuk memeriksa perbedaan antara respons EBC terhadap kondisi yang diketahui dan kondisi baru. Untuk melakukan ini, beberapa kali percobaan dilakukan ketika tikus mempelajari ruangan yang sudah mereka ketahui dari pengujian sebelumnya, dan kemudian ruangan baru dengan ruang terbuka.
Seperti yang sudah Anda duga, respons sel EBC + orientasi/jarak yang diinginkan tetap tidak berubah di ruang baru (4a, 4c).
Dengan demikian, respons EBC memberikan representasi yang stabil tentang batas-batas lingkungan relatif terhadap subjek uji di semua jenis lingkungan tersebut, terlepas dari tampilan dinding, luas ruang uji, pergerakannya, dan waktu. subjek dihabiskan di kamar.
Untuk kenalan yang lebih detail dengan nuansa penelitian, saya sarankan untuk melihatnya и untuk dia.
Bagian terakhir dr suatu karya sastra
Dalam karya ini, para ilmuwan mampu mengkonfirmasi dalam praktiknya teori representasi egosentris terhadap lingkungan, yang sangat penting untuk orientasi dalam ruang. Mereka menunjukkan bahwa antara representasi spasial alosentris dan tindakan aktual terdapat proses perantara yang melibatkan sel-sel tertentu di striatum, yang disebut sel batas egosentris (EBC). Ditemukan juga bahwa EBC lebih berkaitan dengan pengendalian pergerakan seluruh tubuh, dan bukan hanya kepala subjek tes.
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui mekanisme orientasi ruang secara utuh, seluruh komponen dan variabelnya. Pekerjaan ini, menurut para ilmuwan, akan semakin membantu meningkatkan teknologi navigasi untuk mobil otonom dan robot yang akan mampu memahami ruang di sekitar mereka, seperti yang kita lakukan. Para peneliti sangat senang dengan hasil penelitian mereka, yang memberikan alasan untuk terus mempelajari hubungan antara area tertentu di otak dan bagaimana navigasi di luar angkasa dilakukan.
Terima kasih atas perhatiannya, tetap penasaran dan semoga minggumu menyenangkan semuanya! 🙂
Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda menyukai artikel kami? Ingin melihat konten yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman, Diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server level awal, yang kami ciptakan untuk Anda: (tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya disini di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai $99! Membaca tentang
Sumber: www.habr.com