Il movimento è vita. Questa frase può essere interpretata sia come motivazione ad andare avanti, a non fermarsi e ottenere ciò che si desidera, sia come affermazione del fatto che quasi tutti gli esseri viventi trascorrono gran parte della loro vita in movimento. Per garantire che i nostri movimenti e spostamenti nello spazio non finiscano ogni volta con colpi sulla fronte e mignoli rotti, il nostro cervello utilizza “mappe” memorizzate dell'ambiente che emergono inconsciamente al momento del nostro movimento. Tuttavia, si ritiene che il cervello utilizzi queste mappe non dall'esterno, per così dire, ma posizionando una persona su questa mappa e raccogliendo dati da una visuale in prima persona. Gli scienziati dell'Università di Boston hanno deciso di dimostrare questa teoria conducendo una serie di esperimenti pratici con ratti da laboratorio. Come si muove effettivamente il cervello nello spazio, quali cellule sono coinvolte e quale ruolo gioca questa ricerca per il futuro delle auto e dei robot autonomi? Lo apprendiamo dal rapporto del gruppo di ricerca. Andare.
Base di ricerca
Quindi, il fatto accertato molti anni fa è che la parte principale del cervello responsabile dell'orientamento nello spazio è l'ippocampo.
L'ippocampo è coinvolto in una varietà di processi: la formazione delle emozioni, la trasformazione della memoria a breve termine in memoria a lungo termine e la formazione della memoria spaziale. È quest'ultimo la fonte di quelle stesse “mappe” che il nostro cervello richiama al momento giusto per un orientamento più efficace nello spazio. In altre parole, l’ippocampo immagazzina modelli neurali tridimensionali dello spazio in cui si trova il proprietario del cervello.
Ippocampo
C'è una teoria che afferma che tra la navigazione effettiva e le mappe dell'ippocampo c'è un passaggio intermedio: convertire queste mappe in una visuale in prima persona. Cioè, una persona sta cercando di capire dove si trova qualcosa non in generale (come vediamo sulle mappe reali), ma dove si troverà qualcosa rispetto a se stesso (come la funzione “street view” in Google Maps).
Gli autori del lavoro in esame sottolineano quanto segue: le mappe cognitive dell'ambiente sono codificate nella formazione dell'ippocampo nel sistema allocentrico, ma le capacità motorie (i movimenti stessi) sono rappresentate nel sistema egocentrico.
UFO: Enemy Unknown (sistema allocentrico) e DOOM (sistema egocentrico).
La differenza tra i sistemi allocentrici ed egocentrici è simile alla differenza tra i giochi con una visuale in terza persona (o vista laterale, vista dall'alto, ecc.) e i giochi con una visuale in prima persona. Nel primo caso è importante per noi l'ambiente stesso, nel secondo la nostra posizione rispetto a questo ambiente. Pertanto, i piani di navigazione allocentrici devono essere convertiti in un sistema egocentrico per l’effettiva attuazione, vale a dire movimento nello spazio.
I ricercatori ritengono che sia il dorsomediale striato (DMS)* svolge un ruolo fondamentale nel processo di cui sopra.
Lo striato del cervello umano.
Striato* - parte del cervello che appartiene ai gangli della base; lo striato è coinvolto nella regolazione del tono muscolare, degli organi interni e delle reazioni comportamentali; Lo striato è anche chiamato “striato” per la sua struttura di fasce alternate di sostanza grigia e bianca.
Il DMS dimostra le risposte neurali associate al processo decisionale e all'esecuzione di azioni riguardanti la navigazione nello spazio, quindi questa regione del cervello dovrebbe essere studiata in modo più dettagliato.
Risultati dello studio
Per determinare la presenza/assenza di informazioni spaziali egocentriche nello striato (DMS), a 4 ratti maschi sono stati impiantati fino a 16 tetrodi (elettrodi speciali collegati alle aree desiderate del cervello) mirati al DMS (1a).
Immagine n. 1: risposta delle cellule striatali ai confini ambientali in un quadro di riferimento egocentrico.
Spiegazioni per l'immagine n. 1:а — punti di localizzazione del tetrodo;
b — mappa dei confini egocentrici;
с — mappe spaziali allocentriche (4 quadrati a sinistra), grafici delle traiettorie codificati a colori delle posizioni dei picchi di risposta cellulare rispetto alla posizione del corpo e mappe egocentriche (4 quadrati a destra) basate sulla risposta delle cellule EBC a vari orientamenti e distanze tra il ratto e il muro;
d - come in 1s, ma per l'EBC con distanze preferenziali dall'animale;
e - come in 1s, ma per due EBC inversi;
f — distribuzione della lunghezza media risultante per le cellule osservate;
g - distribuzione della lunghezza media risultante per l'EBC utilizzando la direzione del movimento e la direzione della testa;
h — distribuzione della risposta media delle gabbie (tutti ed EBC).
Sono stati condotti 44 esperimenti in cui i ratti hanno raccolto cibo sparso in modo casuale in uno spazio familiare (aperto, non in un labirinto). Di conseguenza, sono state registrate 939 cellule. Dai dati raccolti, sono state identificate 31 cellule di direzione della testa (HDC), ma solo una piccola frazione delle cellule, 19 per l'esattezza, aveva correlati spaziali allocentrici. Inoltre, l'attività di queste cellule, limitata dal perimetro dell'ambiente, è stata osservata solo durante il movimento del ratto lungo le pareti della camera di prova, il che suggerisce uno schema egocentrico per codificare i confini dello spazio.
Per valutare le possibilità di una tale rappresentazione egocentrica basata sul picco di attività cellulare, sono state create mappe dei confini egocentrici (1b), che illustrano l'orientamento e la distanza dei confini rispetto alla direzione del movimento del ratto, piuttosto che alla posizione della sua testa (confronto con 1g).
Il 18% delle celle registrate (171 su 939) ha mostrato una risposta significativa quando il confine della camera occupava una certa posizione e orientamento rispetto a quello sperimentale (1f). Gli scienziati le chiamano cellule di confine egocentriche (EBC). cellule limite egocentriche). Il numero di tali cellule nei soggetti sperimentali variava da 15 a 70 con una media di 42.75 (1c, 1d).
Tra le cellule dei confini egocentrici c'erano quelle la cui attività diminuiva in risposta ai confini della camera. Ce n'erano 49 in totale e venivano chiamati EBC inversi (iEBC). La risposta cellulare media (il loro potenziale d'azione) nell'EBC e nell'iEBC è stata piuttosto bassa - 1,26 ± 0,09 Hz (1h).
La popolazione cellulare EBC risponde a tutti gli orientamenti e le posizioni del confine della camera rispetto al soggetto del test, ma la distribuzione dell'orientamento preferito è bimodale con picchi situati a 180° uno di fronte all'altro su entrambi i lati dell'animale (-68° e 112°). , essendo leggermente sfalsato rispetto alla perpendicolare all'asse lungo dell'animale di 22° (2d).
Immagine n. 2: Orientamento e distanza preferiti per la risposta delle cellule limite egocentriche (EBC).
Spiegazioni per l'immagine n. 2:a — mappe dei confini egocentrici per quattro EBC esaminati simultaneamente con diversi orientamenti preferiti indicati sopra ciascun grafico;
b - posizione dei tetrodi secondo le celle da 2a (i numeri indicano il numero del tetrodo);
с — distribuzione di probabilità degli orientamenti preferiti per tutti gli EBC di un ratto;
d — distribuzione di probabilità degli orientamenti preferiti per l'EBC di tutti i ratti;
е - posizioni dei tetrodi per le celle mostrate in 2f;
f - mappe dei confini egocentrici per sei EBC registrati simultaneamente con diverse distanze preferite indicate sopra ciascun grafico;
g — distribuzione di probabilità della distanza preferita per tutti gli EBC di un ratto;
h — distribuzione di probabilità della distanza preferita per l'EBC di tutti i ratti;
i è un diagramma polare della distanza preferita e dell'orientamento preferito per tutti gli EBC, con la dimensione dello spazio rappresentata dal colore e dal diametro dei punti.
La distribuzione della distanza preferita dal confine conteneva tre picchi: 6.4, 13.5 e 25.6 cm, indicando la presenza di tre diverse distanze preferite tra gli EBC (2f-2h), che può essere importante per una strategia di ricerca di navigazione gerarchica. La dimensione dei campi recettivi dell’EBC aumenta in funzione della distanza preferita (2i), il che indica che l'accuratezza della rappresentazione egocentrica dei confini aumenta con la diminuzione della distanza tra il muro e il soggetto sperimentale.
Sia l'orientamento preferito che la distanza mancavano di una topografia chiara, poiché gli EBC attivi del soggetto con diversi orientamenti e distanze rispetto alla parete apparivano sullo stesso tetrodo (2a, 2b, 2e и 2f).
È stato inoltre riscontrato che gli EBC rispondono costantemente ai confini dello spazio (pareti della camera) in qualsiasi versione delle camere di prova. Per confermare che gli EBC rispondono ai confini locali della camera piuttosto che alle sue caratteristiche distali, gli scienziati hanno "ruotato" la posizione della telecamera di 45° e hanno reso diverse pareti nere, rendendola diversa da quella utilizzata nei test precedenti.
I dati sono stati raccolti sia nella camera di prova normale che in quella ruotata. Nonostante il cambiamento nella camera di prova, tutti gli orientamenti e le distanze preferiti rispetto alle pareti dei soggetti del test EBC sono rimasti gli stessi.
Data l’importanza degli angoli, è stata presa in considerazione anche la possibilità che gli EBC codifichino in modo univoco questi attributi ambientali locali. Isolando la differenza tra la risposta vicino agli angoli e la risposta vicino al centro della parete, abbiamo identificato un sottoinsieme di cellule EBC (n = 16; 9,4%) che mostrano una maggiore risposta agli angoli.
Pertanto, possiamo trarre una conclusione intermedia che sono le cellule EBC a rispondere bene al perimetro della camera, cioè alle pareti della camera di prova e ai suoi angoli.
Successivamente, gli scienziati hanno testato se la risposta delle cellule EBC allo spazio aperto (un’arena di prova senza labirinto, cioè solo 4 pareti) è la stessa per diverse versioni dell’area della sala di prova. Sono state effettuate 3 corse, in ciascuna delle quali la lunghezza delle pareti differiva dalle precedenti di 50 cm.
Indipendentemente dalle dimensioni della camera di prova, gli EBC hanno risposto ai suoi confini alla stessa distanza e orientamento rispetto al soggetto del test. Ciò indica che la risposta non si adatta alle dimensioni dell’ambiente.
Immagine n. 3: risposta stabile delle cellule EBC ai confini spaziali.
Spiegazioni per l'immagine n. 3:а — mappe EBC egocentriche in condizioni normali (a sinistra) e quando la camera di test è stata ruotata di 45° (a destra);
b — mappe EBC egocentriche per una telecamera di 1.25 x 1.25 m (a sinistra) e per una telecamera ingrandita di 1.75 x 1.75 m (a destra);
с — mappe EBC egocentriche con pareti regolari della camera nera (a sinistra) e con pareti modellate (a destra);
d-f — grafici della distanza preferita (in alto) e dei cambiamenti nell'orientamento preferito rispetto alla linea di base (in basso).
Poiché lo striato riceve informazioni sull'ambiente da diverse aree della corteccia visiva del cervello, gli scienziati hanno anche testato se l'aspetto delle pareti influenza (3s) camere sulla risposta delle cellule EBC.
La modifica dell'aspetto dei confini dello spazio non ha avuto alcun effetto sulla reazione delle cellule EBC o sulla distanza e sull'orientamento richiesti per la reazione rispetto al soggetto sperimentale.
Immagine n.4: Coerenza della risposta delle cellule EBC indipendentemente dall'ambiente.
Spiegazioni per l'immagine n. 4:а — mappe egocentriche per l'EBC in ambienti familiari (a sinistra) e nuovi (a destra);
b — mappe egocentriche per EBC, ottenute nello stesso ambiente, ma con un intervallo di tempo;
с — grafici della distanza preferita (in alto) e dei cambiamenti nell'orientamento preferito rispetto alla linea di base (in basso) per ambienti nuovi (non familiari);
d — grafici della distanza preferita (in alto) e dei cambiamenti nell'orientamento preferito rispetto alla linea di base (in basso) per ambienti (familiari) precedentemente studiati.
Si è inoltre riscontrato che la risposta delle cellule EBC, così come l'orientamento richiesto e la distanza rispetto al soggetto sperimentale, non cambiano nel tempo.
Tuttavia, questo test "a tempo" è stato effettuato nella stessa camera di prova. È stato inoltre necessario verificare quale differenza ci fosse tra la risposta dell'EBC a condizioni note e a quelle nuove. Per fare questo, sono state effettuate diverse prove in cui i ratti hanno studiato una camera che già conoscevano dai test precedenti, e poi nuove camere con spazio aperto.
Come avrete intuito, la risposta delle cellule EBC + l'orientamento/distanza desiderata sono rimasti invariati nelle nuove camere (4a, 4c).
Pertanto, la risposta dell'EBC fornisce una rappresentazione stabile dei confini dell'ambiente rispetto al soggetto del test in tutti i tipi di quell'ambiente, indipendentemente dall'aspetto delle pareti, dall'area della camera di prova, dal suo movimento e dal tempo. il soggetto trascorso nella camera.
Per una conoscenza più dettagliata delle sfumature dello studio, consiglio di guardare и a lui.
Finale
In questo lavoro gli scienziati sono riusciti a confermare nella pratica la teoria della rappresentazione egocentrica dell'ambiente, estremamente importante per l'orientamento nello spazio. Hanno dimostrato che tra la rappresentazione spaziale allocentrica e l’azione reale esiste un processo intermedio che coinvolge alcune cellule dello striato, chiamate cellule di confine egocentriche (EBC). Si è anche scoperto che gli EBC erano più legati al controllo del movimento dell'intero corpo e non solo della testa dei soggetti del test.
Questo studio mirava a determinare il meccanismo completo di orientamento nello spazio, tutte le sue componenti e variabili. Questo lavoro, secondo gli scienziati, aiuterà ulteriormente a migliorare le tecnologie di navigazione per le auto autonome e per i robot che saranno in grado di comprendere lo spazio che li circonda, proprio come facciamo noi. I ricercatori sono estremamente soddisfatti dei risultati del loro lavoro, che forniscono motivo per continuare a studiare la relazione tra alcune aree del cervello e il modo in cui viene effettuata la navigazione nello spazio.
Grazie per l'attenzione, rimanete curiosi e buona settimana a tutti! 🙂
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Fonte: habr.com