スリー パインズで迷子にならないでください: 環境に対する自己中心的な見方

動きは人生です。 このフレーズは、立ち止まって望むものを達成するのではなく前進する動機として、また、ほぼすべての生き物が人生のほとんどを動きながら過ごすという事実の表明として解釈できます。 私たちの動きや空間での動きが、毎回額にぶつかったり足の小指が折れたりして終わらないようにするために、私たちの脳は、移動の瞬間に無意識のうちに現れる、保存された環境の「マップ」を使用します。 ただし、脳はこれらのマップをいわば外側から利用するのではなく、このマップ上に人間を配置して一人称視点でデータを収集することで利用しているという意見もあります。 ボストン大学の科学者たちは、実験用ラットを使った一連の実際的な実験を行うことで、この理論を証明することにしました。 脳は実際にどのように宇宙を移動するのか、どのような細胞が関与しているのか、そしてこの研究は自動運転車やロボットの将来にどのような役割を果たすのでしょうか? このことは研究グループの報告書から分かります。 行く。

研究根拠

つまり、宇宙での方向感覚を司る脳の主要部分は海馬であるということは、何年も前に確立された事実です。

海馬は、感情の形成、短期記憶から長期記憶への変換、空間記憶の形成など、さまざまなプロセスに関与しています。 後者は、私たちの脳が空間内でより効果的な方向を知るために適切な瞬間に呼び出すまさに「地図」の源です。 言い換えれば、海馬は、脳の所有者が位置する空間の三次元神経モデルを保存しています。

海馬

実際のナビゲーションと海馬からの地図の間には、これらの地図を一人称視点に変換する中間ステップがあるという理論があります。 つまり、人は何かが一般的にどこにあるのか（実際の地図で見るような）ではなく、（Google マップの「ストリート ビュー」機能のように）自分との相対的な位置を理解しようとしているのです。

私たちが検討している研究の著者らは、次のことを強調しています。環境の認知マップは、他動中心システムの海馬形成にコード化されていますが、運動能力（動き自体）は自己中心システムで表現されます。

UFO: Enemy Unknown (他者中心システム) と DOOM (自己中心システム)。

アロセントリック システムと自己中心システムの違いは、三人称視点 (またはサイド ビュー、トップ ビューなど) のゲームと一人称視点のゲームの違いに似ています。 前者の場合は環境自体が私たちにとって重要であり、後者の場合はこの環境に対する私たちの位置が重要です。 したがって、他中心的な航行計画は、実際の実装のために自己中心的なシステムに変換する必要があります。 空間内の動き。

研究者らは、それが背内側であると考えています。 線条体 (DMS)* 上記のプロセスにおいて重要な役割を果たします。

人間の脳の線条体。

線条体* - 大脳基底核に属する脳の一部。 線条体は筋緊張、内臓、行動反応の調節に関与しています。 線条体は、灰白質と白質の帯が交互に並んだ構造であるため、「線条体」とも呼ばれます。

DMS は、宇宙でのナビゲーションに関する意思決定と行動の実行に関連する神経反応を示すため、脳のこの領域をより詳細に研究する必要があります。

研究成果

線条体 (DMS) における自己中心性の空間情報の有無を判断するために、4 匹の雄ラットに、DMS を標的とする最大 16 個の四極管 (脳の目的の領域に接続された特別な電極) が埋め込まれました (1а).

画像 #1: 自己中心的な基準枠における環境境界に対する線条体細胞の反応。

画像 No.1 の説明:а — 四極管の位置点。
b — 自己中心的な境界マップ。
с — アロセントリック空間マップ (左側の 4 つの四角形)、体の位置に対する細胞応答ピークの位置の色分けされた軌跡プロット、およびさまざまな向きでの EBC 細胞の応答に基づく自己中心マップ (右側の 4 つの四角形)ネズミと壁の間の距離。
d -のように 1cただし、動物からの距離が好ましい EBC の場合。
e -のように 1cただし、XNUMX つの逆 EBC の場合です。
f - 観察された細胞の結果として得られる平均長さの分布。
g - 移動方向と頭の方向を使用した EBC の平均結果長さの分布。
h — 細胞（すべておよびEBC）の平均応答の分布。

ラットが慣れ親しんだ空間（迷路ではなく開いた空間）でランダムに散らばった餌を集めるという44の実験が行われた。 その結果、939個の細胞が記録された。 収集されたデータから、31 個の頭方向細胞 (HDC) が特定されましたが、細胞のごく一部 (正確には 19 個) のみが他動中心の空間相関を持っていました。 さらに、環境の周囲によって制限されているこれらの細胞の活動は、試験室の壁に沿ったラットの移動中にのみ観察された。これは、空間の境界をコード化するための自己中心的な計画を示唆している。

細胞活動のピークに基づいてそのような自己中心的な表現の可能性を評価するために、自己中心的な境界マップが作成されました (1b）、これは、ラットの頭の位置ではなく、ラットの移動方向に対する境界の方向と距離を示しています（図との比較）。 1g).

記録された細胞の 18% (171 個中 939 個) は、チャンバーの境界が実験細胞と比較して特定の位置と向きを占めたときに有意な応答を示しました (1f）。 科学者はそれらを自己中心性境界細胞 (EBC) と呼んでいます。 自己中心的な境界セル）。 実験対象者におけるそのような細胞の数は 15 ～ 70 個の範囲であり、平均は 42.75 個でした。1c, 1d).

自己中心的な境界の細胞の中には、部屋の境界に反応して活動が低下する細胞がありました。 それらは合計 49 個あり、逆 EBC (iEBC) と呼ばれていました。 EBC および iEBC における平均細胞応答 (活動電位) は非常に低く、1,26 ± 0,09 Hz (1h).

EBC 細胞集団は、被験者に対するチャンバー境界のすべての方向と位置に応答しますが、優先方向の分布は二峰性で、ピークは動物の両側で互いに 180° 反対側に位置します (-68° と 112°)。 、動物の長軸に対する垂線から 22° だけわずかにオフセットされています (2d).

画像 #2: 自己中心性境界セル (EBC) の応答に好ましい方向と距離。

画像 No.2 の説明:a — 各グラフの上に示された、異なる優先方向を持つ XNUMX つの同時に検査された EBC の自己中心的な境界マップ。
b - セルに応じた四極管の位置 2а (数字は四極数を示します);
с - XNUMX 匹のラットのすべての EBC の優先配向の確率分布。
d - すべてのラットの EBC の優先配向の確率分布。
е — に示すセルの四極管の位置 2f;
f - 各グラフの上に示された、異なる推奨距離を持つ XNUMX つの同時に記録された EBC の自己中心的な境界マップ。
g - XNUMX 匹のラットのすべての EBC の優先距離の確率分布。
h - すべてのラットの EBC に対する優先距離の確率分布。
i は、すべての EBC の優先距離と優先方向の極プロットであり、空間のサイズはドットの色と直径で表されます。

境界までの好ましい距離の分布には、6.4、13.5、25.6 cm の XNUMX つのピークが含まれており、EBC 間に XNUMX つの異なる好ましい距離が存在することを示しています (2f - 2h)、これは階層ナビゲーション検索戦略にとって重要である可能性があります。 EBC 受容野のサイズは、優先距離の関数として増加しました (2i)、これは、境界の自己中心的表現の精度が、壁と実験対象の間の距離が減少するにつれて増加することを示しています。

壁に対して異なる方向と距離を持つ被験者のアクティブな EBC が同じ四極管上に現れたため、優先方向と距離の両方に明確な地形が欠けていました (2a, 2b, 2e и 2f).

また、EBC は、どのバージョンのテスト チャンバーでも空間の境界 (チャンバー壁) に一貫して反応することもわかりました。 EBCがチャンバーの遠位の特徴ではなく、チャンバーの局所的な境界に反応することを確認するために、科学者らはカメラの位置を45度「回転」させ、いくつかの壁を黒くして、以前のテストで使用したものとは異なるようにした。

データは、通常のテスト チャンバーと回転されたテスト チャンバーの両方で収集されました。 テストチャンバーの変更にもかかわらず、EBC テスト対象の壁に対する好ましい方向と距離はすべて同じままでした。

角度の重要性を考慮して、EBC がこれらの局所的な環境属性を独自にエンコードしている可能性も考慮されました。 壁の角付近の反応と壁の中央付近の反応の違いを分離することにより、角に対する反応の増加を示す EBC 細胞のサブセット (n = 16、9,4%) を特定しました。

したがって、チャンバーの周囲、つまりテストチャンバーの壁とその隅によく反応するのは EBC 細胞であるという中間的な結論を下すことができます。

次に科学者らは、オープンスペース（迷路のないテストアリーナ、つまり壁が4つだけ）に対するEBC細胞の反応が、異なるバージョンのテストルームエリアで同じであるかどうかをテストしました。 壁の長さが以前のものと3 cm異なるように、50回の実験を実行しました。

試験室のサイズに関係なく、EBC は試験対象に対して同じ距離と向きでその境界に反応しました。 これは、応答が環境の規模に応じて変化しないことを示しています。

画像 #3: 空間境界に対する EBC 細胞の安定した応答。

画像 No.3 の説明:а — 通常条件下（左）とテストチャンバーを 45 度回転した場合（右）の自己中心的な EBC マップ。
b — 1.25 x 1.25 mのカメラ（左）と1.75 x 1.75 mの拡大カメラ（右）の自己中心的EBCマップ。
с — 通常の黒いチャンバー壁（左）と模様のある壁（右）を備えた自己中心的な EBC マップ。
d - f — 優先距離 (上) とベースラインに対する優先方向の変化 (下) のグラフ。

線条体は脳の視覚野のいくつかの領域から環境に関する情報を受け取るため、科学者たちは壁の外観が影響を与えるかどうかもテストしました。3c) EBC 細胞の応答に関するチャンバー。

空間の境界の外観を変更しても、EBC 細胞の反応や、実験対象に対する反応に必要な距離や方向には影響がありませんでした。

画像 #4: 環境に関係なく、EBC 細胞応答の一貫性。

画像 No.4 の説明:а — 使い慣れた環境 (左) と新しい環境 (右) における EBC の自己中心的なマップ。
b — 同じ環境で時間間隔を置いて取得された EBC の自己中心的マップ。
с — 新しい（馴染みのない）環境における優先距離（上）とベースラインに対する優先方向の変化（下）のグラフ。
d — 以前に調査された（よく知られた）環境における、優先距離（上）とベースラインに対する優先方向の変化（下）のグラフ。

また、EBC 細胞の応答、および実験対象に対する必要な方向と距離は時間の経過とともに変化しないこともわかりました。

ただし、この「時間制限された」テストは同じテストチャンバー内で実行されました。 既知の状態に対する EBC の反応と新しい状態に対する EBC の反応の間にどのような違いがあるかを確認することも必要でした。 これを行うために、ラットが以前のテストですでに知っているチャンバーを研究し、次にオープンスペースのある新しいチャンバーを研究するという数回の実行が実行されました。

ご想像のとおり、EBC 細胞の応答 + 望ましい方向/距離は、新しいチャンバーでも変化しませんでした (4a, 4c).

したがって、EBC 応答は、壁の外観、試験室の面積、動き、時間に関係なく、あらゆる種類の環境において、試験対象者に対する環境の境界を安定して表現します。被験者は部屋の中で過ごした。

研究のニュアンスをより詳しく知りたい場合は、以下を参照することをお勧めします。 科学者の報告 и 追加資料 彼に。

フィナーレ

この研究で、科学者たちは、空間における方向性にとって非常に重要である、環境の自己中心的表現の理論を実際に確認することができました。 彼らは、自己中心的な空間表現と実際の行動の間には、自己中心性境界細胞 (EBC) と呼ばれる、線条体の特定の細胞が関与する中間プロセスがあることを示しました。 また、EBC は被験者の頭だけではなく、体全体の動きの制御により深く関係していることもわかりました。

この研究は、空間における方向性の完全なメカニズム、そのすべての構成要素と変数を決定することを目的としていました。 科学者らによると、この研究は、自動運転車や、私たちと同じように周囲の空間を理解できるロボットのナビゲーション技術の向上にさらに役立つとのことです。 研究者らは自分たちの研究結果に非常に満足しており、脳の特定の領域と宇宙でのナビゲーションがどのように行われるかについて研究を続ける理由が得られた。

読んでいただきありがとうございます。好奇心を持ち続けて、素晴らしい一週間をお過ごしください。 🙂

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出所： habr.com