אל תלך לאיבוד בשלושת האורנים: מבט אגוצנטרי של הסביבה

תנועה היא החיים. ניתן לפרש את הביטוי הזה הן כמוטיבציה להתקדם, לא לעמוד במקום ולהשיג את מה שאתה רוצה, והן כהצהרה על העובדה שכמעט כל היצורים החיים מבלים את רוב חייהם בתנועה. כדי להבטיח שהתנועות והתנועות שלנו במרחב לא יסתיימו בבליטות על המצח ובאצבעות קטנות שבורות בכל פעם, המוח שלנו משתמש ב"מפות" מאוחסנות של הסביבה שצצות באופן לא מודע ברגע התנועה שלנו. עם זאת, ישנה דעה שהמוח משתמש במפות אלו לא מבחוץ, כביכול, אלא על ידי הצבת אדם על המפה הזו ואיסוף נתונים מנקודת מבט בגוף ראשון. מדענים מאוניברסיטת בוסטון החליטו להוכיח את התיאוריה הזו על ידי ביצוע סדרה של ניסויים מעשיים עם חולדות מעבדה. איך המוח בעצם מנווט בחלל, אילו תאים מעורבים, ואיזה תפקיד ממלא המחקר הזה לעתיד של מכוניות ורובוטים אוטונומיות? אנו למדים על כך מהדוח של קבוצת המחקר. ללכת.

בסיס מחקר

אז, העובדה שנקבעה לפני שנים רבות היא שהחלק העיקרי של המוח האחראי להתמצאות בחלל הוא ההיפוקמפוס.

ההיפוקמפוס מעורב במגוון תהליכים: היווצרות רגשות, הפיכת זיכרון לטווח קצר לזיכרון לטווח ארוך ויצירת זיכרון מרחבי. זה האחרון הוא המקור לאותן "מפות" בדיוק שהמוח שלנו קורא ברגע הנכון להתמצאות יעילה יותר במרחב. במילים אחרות, ההיפוקמפוס מאחסן מודלים עצביים תלת מימדיים של החלל שבתוכו נמצא בעל המוח.

היפוקמפוס

ישנה תיאוריה שקובעת שבין ניווט בפועל למפות מההיפוקמפוס, ישנו שלב ביניים – המרת המפות הללו לתצוגה בגוף ראשון. כלומר, אדם מנסה להבין היכן משהו ממוקם לא באופן כללי (כפי שאנו רואים במפות אמיתיות), אלא היכן משהו ימוקם ביחס לעצמו (כמו פונקציית "תצוגת רחוב" בגוגל מפות).

מחברי העבודה שאנו שוקלים מדגישים את הדברים הבאים: מפות קוגניטיביות של הסביבה מקודדות בצורת ההיפוקמפוס במערכת האלוצנטרית, אך מיומנויות מוטוריות (התנועות עצמן) מיוצגות במערכת האגוצנטרית.

עב"מ: Enemy Unknown (מערכת אלוצנטרית) ו-DOOM (מערכת אגוצנטרית).

ההבדל בין מערכות אלוצנטריות לאגוצנטריות דומה להבדל בין משחקים מגוף שלישי (או מבט צד, מבט מלמעלה וכו') לבין משחקים מגוף ראשון. במקרה הראשון חשובה לנו הסביבה עצמה, במקרה השני העמדה שלנו ביחס לסביבה הזו. לפיכך, יש להמיר תוכניות ניווט אלוצנטריות למערכת אגוצנטרית ליישום בפועל, כלומר. תנועה במרחב.

חוקרים מאמינים שזהו הגבי סטריאטום (DMS)* ממלא תפקיד חיוני בתהליך הנ"ל.

הסטריאטום של המוח האנושי.

סטריאטום* - חלק מהמוח ששייך לגרעיני הבסיס; הסטריאטום מעורב בוויסות טונוס השרירים, איברים פנימיים ותגובות התנהגותיות; הסטריאטום נקרא גם "סטריאטום" בשל המבנה שלו של פסים מתחלפים של חומר אפור ולבן.

ה-DMS מדגים תגובות עצביות הקשורות בקבלת החלטות וביצוע פעולות בנוגע לניווט בחלל, ולכן יש ללמוד את האזור הזה במוח ביתר פירוט.

תוצאות המחקר

כדי לקבוע נוכחות/היעדר מידע מרחבי אגוצנטרי בסטריאטום (DMS), הושתלו ל-4 חולדות זכרים עד 16 טטרודות (אלקטרודות מיוחדות המחוברות לאזורים הרצויים במוח) המכוונות ל-DMS (1а).

תמונה מס' 1: תגובה של תאים סטריאטליים לגבולות סביבתיים במסגרת התייחסות אגוצנטרית.

הסברים לתמונה מס' 1:а - נקודות מיקום tetrode;
b - מפת גבולות אגוצנטרית;
с - מפות מרחביות אלוצנטריות (4 ריבועים משמאל), מסלולים מקודדים בצבע של מיקומי שיאי תגובת התא ביחס למיקום הגוף, ומפות אגוצנטריות (4 ריבועים מימין) המבוססות על תגובת תאי EBC בכיוונויות שונות ו מרחקים בין החולדה לקיר;
d - כמו ב 1c, אבל עבור EBC עם מרחקים מועדפים מהחיה;
e - כמו ב 1c, אבל עבור שני EBCs הפוכים;
f - התפלגות האורך הממוצע המתקבל עבור התאים שנצפו;
g - התפלגות האורך הממוצע המתקבל עבור EBC באמצעות כיוון תנועה וכיוון ראש;
h - התפלגות התגובה הממוצעת של תאים (כולם ו-EBC).

נערכו 44 ניסויים שבהם חולדות אספו מזון מפוזר באקראי בחלל מוכר (פתוח, לא במבוך). כתוצאה מכך נרשמו 939 תאים. מהנתונים שנאספו, זוהו 31 תאי כיוון ראש (HDCs), אך רק לחלק קטן מהתאים, 19 ליתר דיוק, היו מתאמים מרחביים אלוצנטריים. יתרה מכך, הפעילות של תאים אלה, המוגבלת על ידי היקף הסביבה, נצפתה רק במהלך תנועת החולדה לאורך קירות חדר הבדיקה, מה שמרמז על סכמה אגוצנטרית לקידוד גבולות החלל.

כדי להעריך את האפשרויות של ייצוג אגוצנטרי כזה המבוסס על שיא פעילות התא, נוצרו מפות גבולות אגוצנטריות (1b), הממחישים את הכיוון והמרחק של הגבולות ביחס לכיוון תנועת החולדה, ולא למיקום ראשה (השוואה ל 1g).

18% מהתאים המוקלטים (171 מתוך 939) הראו תגובה משמעותית כאשר הגבול של החדר תפס מיקום וכיוון מסוים ביחס לזה הניסיוני (1f). מדענים קוראים להם תאי גבול אגוצנטריים (EBC). תאי גבול אגוצנטריים). מספר תאים כאלה בנבדקי ניסוי נע בין 15 ל-70 עם ממוצע של 42.75 (1c, 1d).

בין התאים של גבולות אגוצנטרים, היו כאלה שפעילותם ירדה בתגובה לגבולות החדר. היו 49 מהם בסך הכל והם נקראו EBCs הפוכים (iEBCs). תגובת התא הממוצעת (פוטנציאל הפעולה שלהם) ב-EBC וב-iEBC הייתה נמוכה למדי - 1,26 ± 0,09 הרץ (1h).

אוכלוסיית תאי ה-EBC מגיבה לכל הכיוונים והמיקומים של גבול החדר ביחס לנבדק, אך התפלגות האוריינטציה המועדפת היא בי-מודאלית עם פסגות הממוקמות 180° זה מול זה משני צדי החיה (-68° ו-112°) , בהיותו מוסט מעט מהציר הארוך לציר החיה ב-22° (2d).

תמונה מס' 2: כיוון ומרחק מועדפים לתגובה של תאי גבול אגוצנטריים (EBCs).

הסברים לתמונה מס' 2:a - מפות גבול אגוצנטריות לארבעה EBCs שנבדקו בו-זמנית עם כיוונים מועדפים שונים המצוינים מעל כל גרף;
b - מיקום של tetrodes בהתאם לתאים מ 2а (מספרים מציינים את מספר הטטרודה);
с - התפלגות הסתברות של כיוונים מועדפים עבור כל EBCs של חולדה אחת;
d - התפלגות הסתברות של כיוונים מועדפים עבור EBC של כל החולדות;
е - עמדות טטרוד עבור התאים המוצגים ב 2f;
f - מפות גבול אגוצנטריות לשישה EBCs מתועדים בו זמנית עם מרחקים מועדפים שונים המצוינים מעל כל גרף;
g - התפלגות ההסתברות של המרחק המועדף עבור כל ה-EBC של חולדה אחת;
h - התפלגות ההסתברות של המרחק המועדף עבור EBC של כל החולדות;
i הוא עלילה קוטבית של מרחק מועדף וכיוון מועדף עבור כל ה-EBC, כאשר גודל החלל מיוצג על ידי הצבע והקוטר של הנקודות.

התפלגות המרחק המועדף לגבול הכילה שלוש פסגות: 6.4, 13.5 ו-25.6 ס"מ, מה שמצביע על נוכחותם של שלושה מרחקים מועדפים שונים בין EBCs (2f-2h), שעשוי להיות חשוב עבור אסטרטגיית חיפוש ניווט היררכי. גודלם של שדות קליטה של ​​EBC גדל כפונקציה של המרחק המועדף (2i), מה שמעיד על כך שהדיוק של הייצוג האגוצנטרי של גבולות עולה עם ירידה של המרחק בין הקיר לנושא הניסוי.

הן לכיוון המועדף והן למרחק היה חסר טופוגרפיה ברורה, שכן ה-EBC הפעילים של הנבדק עם כיוונים ומרחקים שונים ביחס לקיר הופיעו על אותה טטרודה (2a, 2b, 2e и 2f).

כמו כן, נמצא כי EBC מגיבים באופן עקבי לגבולות החלל (קירות החדר) בכל גרסה של תאי הבדיקה. כדי לאשר ש-EBC מגיבים לגבולות המקומיים של החדר ולא למאפיינים הרחוקים שלו, המדענים "סובבו" את מיקום המצלמה ב-45° והפכו כמה קירות לשחורים, מה שהפך אותה לשונה מזו ששימשה בבדיקות קודמות.

הנתונים נאספו הן בתא הבדיקה הרגיל והן בתא המסובב. למרות השינוי בתא הבדיקה, כל הכיוונים והמרחקים המועדפים ביחס לקירות של נבדקי ה-EBC נשארו זהים.

בהתחשב בחשיבותן של זוויות, נשקללה גם האפשרות ש-EBCs מקודדים באופן ייחודי את התכונות הסביבתיות המקומיות הללו. על ידי בידוד ההבדל בין התגובה ליד פינות לבין התגובה ליד אמצע הקיר, זיהינו תת-קבוצה של תאי EBC (n=16; 9,4%) שמפגינים תגובה מוגברת לפינות.

לפיכך, נוכל להגיע למסקנה ביניים שתאי EBC מגיבים היטב להיקף החדר, כלומר לדפנות תא הבדיקה ולפינותיו.

לאחר מכן, המדענים בדקו האם התגובה של תאי EBC לשטח פתוח (זירת בדיקה ללא מבוך, כלומר רק 4 קירות) זהה עבור גרסאות שונות של אזור חדר הבדיקה. בוצעו 3 ריצות שבכל אחת מהן אורך הקירות שונה מהקודמים ב-50 ס"מ.

ללא קשר לגודל תא הבדיקה, EBCs הגיבו לגבולותיו באותו מרחק ובאותו כיוון ביחס לנבדק. זה מצביע על כך שהתגובה אינה משתנה בהתאם לגודל הסביבה.

תמונה מס' 3: תגובה יציבה של תאי EBC לגבולות מרחביים.

הסברים לתמונה מס' 3:а - מפות EBC אגוצנטריות בתנאים רגילים (משמאל) וכאשר תא הבדיקה סובב ב-45° (מימין);
b - מפות EBC אגוצנטריות למצלמה בגודל 1.25 על 1.25 מ' (שמאל) ולמצלמה מוגדלת 1.75 על 1.75 מ' (מימין);
с - מפות EBC אגוצנטריות עם קירות תא שחורים רגילים (משמאל) ועם קירות מעוצבים (מימין);
d-f - גרפים של מרחק מועדף (עליון) ושינויים בכיוון המועדף ביחס לקו הבסיס (למטה).

מכיוון שהסטריאטום מקבל מידע על הסביבה מכמה אזורים בקליפת הראייה של המוח, המדענים בדקו גם אם הופעת הקירות משפיעה על (3c) חדרים על התגובה של תאי EBC.

לשינוי מראה גבולות החלל לא הייתה השפעה על התגובה של תאי EBC או על המרחק והכיוון הנדרשים לתגובה ביחס לנבדק הניסוי.

תמונה מס' 4: עקביות של תגובת תאי EBC ללא קשר לסביבה.

הסברים לתמונה מס' 4:а - מפות אגוצנטריות עבור EBC בסביבות מוכרות (משמאל) וחדשות (מימין);
b - מפות אגוצנטריות עבור EBC, המתקבלות באותה סביבה, אך עם מרווח זמן;
с - גרפים של מרחק מועדף (עליון) ושינויים בכיוון המועדף ביחס לקו הבסיס (למטה) עבור סביבות חדשות (לא מוכרות);
d - גרפים של מרחק מועדף (עליון) ושינויים בכיוון המועדף ביחס לקו הבסיס (למטה) עבור סביבות שנחקרו בעבר (מוכרות).

כמו כן, נמצא כי התגובה של תאי EBC, כמו גם ההתמצאות והמרחק הנדרשים ביחס לנבדק הניסוי, אינם משתנים עם הזמן.

עם זאת, בדיקה "מתוזמנת" זו בוצעה באותו תא בדיקה. כמו כן, היה צורך לבדוק מה ההבדל בין תגובת ה-EBC לתנאים ידועים לתנאים חדשים. לשם כך, בוצעו מספר ריצות כאשר החולדות חקרו תא שהכירו כבר מבדיקות קודמות, ולאחר מכן תאים חדשים עם שטח פתוח.

כפי שאולי ניחשתם, תגובת תא ה-EBC + הכיוון/המרחק הרצוי נותרו ללא שינוי בחדרים החדשים (4a, 4c).

לפיכך, תגובת ה-EBC מספקת ייצוג יציב של גבולות הסביבה ביחס לנבדק בכל סוגי הסביבה, ללא קשר למראה הקירות, לשטח תא הבדיקה, לתנועתו ולזמן. הנושא בילה בחדר.

להבנה מפורטת יותר של הניואנסים של המחקר, אני ממליץ להסתכל על מדענים מדווחים и חומרים נוספים אליו.

אפילוג

בעבודה זו הצליחו מדענים לאשר בפועל את התיאוריה של ייצוג אגוצנטרי של הסביבה, שהיא חשובה ביותר להתמצאות במרחב. הם הראו שבין ייצוג מרחבי אלוצנטרי לפעולה בפועל יש תהליך ביניים הכולל תאים מסוימים בסטריאטום, הנקרא תאי גבול אגוצנטריים (EBC). כמו כן, נמצא כי EBCs היו קשורים יותר לשליטה בתנועה של הגוף כולו, ולא רק בראש הנבדקים.

מחקר זה נועד לקבוע את מנגנון ההתמצאות המלא במרחב, על כל מרכיביו ומשתניו. עבודה זו, על פי מדענים, תסייע עוד יותר לשפר את טכנולוגיות הניווט עבור מכוניות אוטונומיות ועבור רובוטים שיוכלו להבין את המרחב סביבם, בדיוק כמונו. החוקרים מרוצים מאוד מתוצאות עבודתם, המספקות סיבה להמשיך ולחקור את הקשר בין אזורים מסוימים במוח וכיצד מתבצע ניווט בחלל.

תודה שקראתם, תהיו סקרנים ושבוע טוב חברים! 🙂

תודה שנשארת איתנו. האם אתה אוהב את המאמרים שלנו? רוצים לראות עוד תוכן מעניין? תמכו בנו על ידי ביצוע הזמנה או המלצה לחברים, 30% הנחה למשתמשי Habr על אנלוגי ייחודי של שרתים ברמת הכניסה, שהומצא על ידינו עבורכם: כל האמת על VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 ליבות) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps החל מ-$20 או איך לשתף שרת? (זמין עם RAID1 ו-RAID10, עד 24 ליבות ועד 40GB DDR4).

Dell R730xd זול פי 2? רק כאן 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV החל מ-$199 בהולנד! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - החל מ-$99! לקרוא על כיצד לבנות תשתיות קורפ. מחלקה עם שימוש בשרתי Dell R730xd E5-2650 v4 בשווי 9000 יורו עבור אגורה?

מקור: www.habr.com