Il movimento è vita. Questa frase può essere interpretata sia come una motivazione a progredire, a non restare fermi e a raggiungere ciò che si desidera, sia come una constatazione del fatto che praticamente tutti gli esseri viventi trascorrono gran parte della loro vita in movimento. Affinché i nostri spostamenti nello spazio non si concludano sempre con lividi sulla fronte e mignoli rotti, il nostro cervello utilizza delle "mappe" dell'ambiente circostante, che emergono inconsciamente nel momento in cui ci muoviamo. Tuttavia, c'è chi sostiene che il cervello utilizzi queste mappe non da un punto di vista esterno, ma piazzando l'individuo su quella mappa e raccogliendo dati dalla prospettiva di prima persona. Per dimostrare questa teoria, alcuni scienziati della Boston University hanno condotto una serie di esperimenti pratici con dei topi da laboratorio. Come si orienta realmente il cervello nello spazio? Quali cellule vengono coinvolte e quale rilevanza ha questa ricerca per il futuro delle auto e dei robot autonomi? Scopriremo tutto questo durante la presentazione del gruppo di ricerca. Andiamo.
La base della ricerca
Dunque, il fatto stabilito molti anni fa è che la parte principale del cervello responsabile dell'orientamento nello spazio è l'ippocampo.
L'ippocampo è coinvolto in vari processi: la formazione delle emozioni, la trasformazione della memoria a breve termine in memoria a lungo termine e la creazione della memoria spaziale. Quest'ultima è la fonte delle cosiddette "mappe" che il nostro cervello richiama al momento giusto per un'orientazione più efficace nello spazio. In altre parole, nell'ippocampo sono immagazzinate modelli neuronali tridimensionali dello spazio in cui si trova il proprietario del cervello.
Ippocampo
Esiste una teoria che afferma che tra la navigazione effettiva e le mappe dell'ippocampo ci sia un passaggio intermedio: la trasformazione di queste mappe in una visione in prima persona. Cioè, la persona cerca di comprendere dove si trova ogni cosa non in termini generali (come vediamo nelle mappe reali), ma dove si troverà ogni cosa in relazione a sé stesso (come la funzione "street view" in Google Maps).
Gli autori dell'opera che stiamo considerando sottolineano quanto segue: le mappe cognitive dell'ambiente sono codificate nella formazione ippocampale in un sistema allocentrico, ma la motricità (i movimenti stessi) è rappresentata in un sistema egocentrico.
UFO: Enemy Unknown (sistema allocentrico) e DOOM (sistema egocentrico).
La differenza tra i sistemi allocentrico ed egocentrico ricorda la differenza tra giochi in terza persona (o viste di lato, dall'alto, ecc.) e giochi in prima persona. Nel primo caso, l'ambiente stesso è importante per noi, mentre nel secondo è la nostra posizione rispetto a questo ambiente. Così, i piani di navigazione allocentrici devono essere convertiti in un sistema egocentrico per la loro reale implementazione, cioè per il movimento nello spazio.
I ricercatori credono che sia il **nucleo dorso-mediale** **striatum (DMS)*** giochi un ruolo fondamentale nel processo descritto.
Il corpo striato del cervello umano.
**Striatum*** — la parte del cervello che riguarda i nuclei basilari; il corpo striato partecipa alla regolazione del tono muscolare, degli organi interni e delle reazioni comportamentali; il corpo striato è anche chiamato "corpo striato" a causa della sua struttura composta da bande alternate di materia grigia e bianca.
Il DMS dimostra risposte neuronali legate al processo decisionale e all'esecuzione di azioni relative alla navigazione nello spazio, quindi questa area del cervello merita di essere studiata più a fondo.
Risultati della ricerca
Per determinare la presenza/assenza di informazioni spaziali egocentriche nel corpo striato (DMS), 4 maschi di ratto sono stati impiantati con fino a 16 tetrodi (elettrodi speciali collegati alle aree cerebrali pertinenti), mirati al DMS (1a).
Immagine n. 1: reazione delle cellule del corpo striato ai confini dell'ambiente in un sistema di riferimento egocentrico.
Spiegazioni per l'immagine n. 1:Più di 40.000 clienti in oltre 120 paesi — punti di posizionamento dei tetrodi;
b — mappa egocentrica dei confini;
con — mappe spaziali allocentriche (4 quadrati a sinistra), grafici delle traiettorie con codice colore per le posizioni dei picchi di reazione delle cellule rispetto alla posizione del corpo e mappe egocentriche (4 quadrati a destra) basate sulla reazione delle cellule EBC a diverse orientazioni e distanze tra il ratto e il muro;
d — come su 1C, ma per EBC con distanze preferenziali, lontane dall'animale;
e — come su 1C, ma per due EBC opposti;
f — distribuzione della lunghezza risultante media per le cellule osservate;
g — distribuzione della lunghezza risultante media per EBC utilizzando la direzione del movimento e la direzione della testa;
h — distribuzione della reazione media delle cellule (tutte e EBC).
Sono stati condotti 44 esperimenti in cui i ratti raccoglievano cibo sparso casualmente in uno spazio a loro familiare (aperto, non in un labirinto). Come risultato, sono state registrate 939 cellule. Dai dati raccolti è stata identificata l'esistenza di 31 cellule di direzione della testa (HDC), ma solo una piccola parte delle cellule, precisamente 19, presentava correlati spaziali allocentrici. Inoltre, l'attività di queste cellule, limitata al perimetro dell'ambiente, veniva osservata soltanto durante il movimento del ratto lungo le pareti della camera di prova, il che suggerisce uno schema di codifica egocentrico dei confini dello spazio.
Per valutare le possibilità di tale rappresentazione egocentrica, sulla base dei picchi di attività delle cellule sono state create mappe egocentriche dei confini (1b), che illustrano l'orientamento e la distanza dei confini rispetto alla direzione di movimento del ratto, e non alla posizione della sua testa (confronto su 1g).
Il 18% delle cellule registrate (171 su 939) mostrava una risposta significativa quando il confine della camera occupava una certa posizione e orientamento rispetto all'oggetto testato (1f). Gli scienziati li hanno chiamati cellule dei confini egocentrici (EBC — cellule dei confini egocentrici). Il numero di tali cellule negli otto soggetti variava da 15 a 70, con una media di 42,75 (1c, 1d).
Tra le cellule dei confini egocentrici, ce ne erano alcune la cui attività diminuiva in risposta ai confini della camera. In totale, erano 49 e sono state chiamate EBC inverse (iEBC). Il potenziale d'azione medio delle cellule (la loro frequenza di risposta) per EBC e iEBC era piuttosto basso — 1,26 ± 0,09 Hz (1h).
La popolazione di cellule EBC risponde a tutte le varianti dell'orientamento e della posizione del confine della camera rispetto al soggetto, ma la distribuzione dell'orientamento preferenziale è bimodale, con picchi posti a 180° l'uno di fronte all'altro sui due lati dell'animale (-68° e 112°), leggermente spostata di 22° rispetto alla perpendicolare all'asse lungo dell'animale (2d).
Immagine n. 2: orientamento preferenziale e distanza per la risposta delle cellule egocentriche dei confini (EBC).
Chiarimenti per l'immagine n. 2:a — mappe egocentriche dei confini per quattro EBC esaminati simultaneamente, con le varie orientazioni preferenziali indicate sopra ciascun grafico;
b — posizione degli elettrodi in relazione alle cellule di 2a (i numeri indicano il numero dell'elettrodo);
con — distribuzione delle probabilità delle orientazioni preferite per tutte le EBC di un ratto;
d — distribuzione delle probabilità delle orientazioni preferite per le EBC di tutti i ratti;
anni fa abbiamo scritto che ogni amministratore di Check Point prima o poi si trova di fronte alla necessità di aggiornare alla nuova versione. In questo — posizione degli elettrodi per le cellule mostrate in 2f;
f — mappe egocentriche dei confini per sei EBC registrate simultaneamente con diverse distanze preferite indicate sopra ogni grafico;
g — distribuzione delle probabilità della distanza preferita per tutte le EBC di un ratto;
h — distribuzione delle probabilità della distanza preferita per le EBC di tutti i ratti;
i — grafico polare della distanza preferita e dell'orientazione preferita per tutte le EBC, con la dimensione dello spazio rappresentata dal colore e dal diametro dei punti.
La distribuzione della distanza preferita dal confine presentava tre picchi: 6.4, 13.5 e 25.6 cm, indicando la presenza di tre diverse distanze preferite tra le EBC (2f—2h), che possono essere importanti per la strategia di navigazione gerarchica della ricerca. La dimensione dei campi recettivi degli EBC è aumentata in base alla distanza preferita (2i), il che indica un aumento della precisione della rappresentazione egocentrica dei confini con la diminuzione della distanza tra il muro e il soggetto.
Sia nell'orientamento preferito che nella distanza non si osservava una chiara topografia, poiché gli EBC attivi del soggetto con diverse orientamenti e distanze rispetto al muro apparivano sullo stesso tetrodo (2a, 2b, 2e e 2f).
È stato inoltre rilevato che gli EBC reagiscono in modo costante ai confini dello spazio (muri della camera) in tutte le varianti delle camere di prova. Per confermare che gli EBC reagissero ai confini locali della camera e non alle sue caratteristiche distali, i ricercatori hanno 'ruotato' la posizione della camera di 45° e reso alcuni muri neri, differenziandola da quella utilizzata nei test precedenti.
Sono stati raccolti dati sia in una camera di prova normale che in una ruotata. Nonostante il cambiamento della camera di prova, tutte le orientazioni e distanze preferite rispetto ai muri degli EBC del soggetto sono rimaste le stesse.
Considerando l'importanza degli angoli, è stata anche esaminata la possibilità che le cellule EBC codifichino in modo unico queste caratteristiche ambientali locali. Attraverso l'analisi della differenza tra la reazione vicino agli angoli e quella vicino al centro della parete, è stato identificato un sottoinsieme di cellule EBC (n = 16; 9,4%) che mostrano una reazione aumentata agli angoli.
Pertanto, si può concludere preliminarmente che sono proprio le cellule EBC a rispondere bene al perimetro della camera, ovvero alle pareti della camera di prova e ai suoi angoli.
Successivamente, i ricercatori hanno verificato se la reazione delle cellule EBC verso lo spazio aperto (arena di prova senza labirinto, ovvero semplicemente 4 pareti) fosse la stessa con varie dimensioni della stanza di prova. Sono stati effettuati 3 tentativi, in cui la lunghezza delle pareti differiva dalla precedente di 50 cm.
Indipendentemente dalle dimensioni della camera di prova, le cellule EBC reagivano ai suoi confini alla stessa distanza e orientamento rispetto all'animale in esame. Ciò indica l'assenza di scalabilità della reazione in relazione alle dimensioni dell'ambiente circostante.
Immagine n. 3: reazione stabile delle cellule EBC ai confini dello spazio.
Spiegazioni per l'immagine n. 3:Più di 40.000 clienti in oltre 120 paesi — carte egocentriche EBC in condizioni normali (a sinistra) e con la telecamera di prova ruotata di 45° (a destra);
b — carte egocentriche EBC per una telecamera di dimensioni 1.25 x 1.25 m (a sinistra) e per una telecamera ingrandita di 1.75 x 1.75 m (a destra);
con — carte egocentriche EBC con pareti nere normali della telecamera (a sinistra) e con pareti decorate (a destra);
d—f — grafici della distanza preferita (in alto) e della variazione dell'orientamento preferito rispetto alla linea di base (in basso).
Poiché il corpo a strisce riceve informazioni sull'ambiente da diverse aree della corteccia visiva, i ricercatori hanno anche verificato se l'aspetto delle pareti (3c) della telecamera influisce sulla reazione delle cellule EBC.
La modifica dell'aspetto dei confini dello spazio non ha avuto alcun effetto sulla reazione delle cellule EBC e sulla distanza e orientamento necessari per la reazione rispetto al soggetto.
Immagine n. 4: stabilità della reazione delle cellule EBC indipendentemente dall'ambiente.
Spiegazioni per l'immagine n. 4:Più di 40.000 clienti in oltre 120 paesi — carte egocentriche per EBC in un ambiente familiare (a sinistra) e in un nuovo ambiente (a destra);
b — carte egocentriche per EBC ottenute nello stesso ambiente, ma con un intervallo di tempo.
con — grafici della distanza preferita (in alto) e delle variazioni dell'orientamento preferito rispetto alla linea di base (in basso) per nuovi (sconosciuti) ambienti;
d — grafici della distanza preferita (in alto) e delle variazioni dell'orientamento preferito rispetto alla linea di base (in basso) per ambienti precedentemente studiati (conosciuti).
È stato inoltre accertato che la reazione delle cellule EBC, così come l'orientamento e la distanza necessari rispetto al soggetto, non cambiano nel tempo.
Tuttavia, questo test "temporale" è stato condotto nella stessa camera di test. Era inoltre necessario verificare quale fosse la differenza tra la reazione delle EBC alle condizioni note e a quelle nuove. A tal fine, sono stati effettuati diversi accessi, durante i quali i ratti esploravano la camera già conosciuta da precedenti test, seguito da nuove camere con spazi aperti.
Come avrete già intuito, la reazione delle cellule EBC + l'orientamento/distanza richiesta sono rimasti invariati nelle nuove camere (4a, 4c).
In questo modo, la risposta EBC garantisce una rappresentazione stabile dei confini dell'ambiente rispetto al soggetto in tutti i tipi di questo ambiente, indipendentemente dall'aspetto delle pareti, dalla superficie della camera di test, dal suo spostamento e dal tempo trascorso dal soggetto nella camera.
Per una comprensione più dettagliata delle sfumature della ricerca, consiglio di dare un'occhiata a e ad esso.
Epilogo
In questo lavoro, i ricercatori sono riusciti a confermare in pratica la teoria della rappresentazione egocentrica dell'ambiente, che è fondamentale per l'orientamento nello spazio. Hanno dimostrato che tra la rappresentazione spaziale allocentrica e l'azione effettiva c'è un processo intermedio che coinvolge specifiche cellule del corpo striato, denominate cellule dei confini egocentrici (EBC). È stato anche stabilito che le EBC sono più correlate al controllo del movimento dell'intero corpo, e non solo della testa dei soggetti.
Questa ricerca mirava a definire il meccanismo completo di orientamento nello spazio, tutte le sue componenti e variabili. Questo lavoro, secondo gli scienziati, aiuterà in futuro a perfezionare le tecnologie di navigazione per veicoli autonomi e per robot che saranno in grado di comprendere lo spazio intorno a loro, proprio come facciamo noi. I ricercatori sono estremamente soddisfatti dei risultati del loro lavoro, che forniscono motivi per continuare a studiare la relazione tra determinate aree del cervello e come avviene la navigazione nello spazio.
Grazie per l'attenzione, rimanete curiosi e buona settimana lavorativa a tutti, ragazzi! 🙂
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Fonte: habr.com
