არ დაიკარგოთ სამ ფიჭვში: გარემოს ეგოცენტრული ხედვა

მოძრაობა არის ცხოვრება. ეს ფრაზა შეიძლება განიმარტოს როგორც მოტივაცია, რომ წინ წახვიდე, არ გაჩერდე და მიაღწიო იმას, რაც გინდა, და როგორც განცხადება იმისა, რომ თითქმის ყველა ცოცხალი არსება ცხოვრების უმეტეს ნაწილს მოძრაობაში ატარებს. იმის უზრუნველსაყოფად, რომ ჩვენი მოძრაობები და მოძრაობები სივრცეში ყოველ ჯერზე არ დასრულდეს მუწუკებითა და გატეხილი ფეხის თითებით, ჩვენი ტვინი იყენებს გარემოს შენახულ „რუქებს“, რომლებიც ქვეცნობიერად ჩნდება ჩვენი მოძრაობის მომენტში. თუმცა არსებობს მოსაზრება, რომ ტვინი ამ რუკებს იყენებს არა გარედან, ასე ვთქვათ, არამედ ამ რუკაზე ადამიანის მოთავსებით და მონაცემების შეგროვებით პირველი პირის ხედიდან. ბოსტონის უნივერსიტეტის მეცნიერებმა გადაწყვიტეს დაემტკიცებინათ ეს თეორია ლაბორატორიულ ვირთხებთან პრაქტიკული ექსპერიმენტების სერიის ჩატარებით. როგორ მოძრაობს ტვინი რეალურად სივრცეში, რა უჯრედებია ჩართული და რა როლს თამაშობს ეს კვლევა ავტონომიური მანქანებისა და რობოტების მომავლისთვის? ამის შესახებ კვლევის ჯგუფის ანგარიშიდან ვიგებთ. წადი.

კვლევის საფუძველი

ასე რომ, მრავალი წლის წინ დადგენილი ფაქტია, რომ ტვინის ძირითადი ნაწილი, რომელიც პასუხისმგებელია სივრცეში ორიენტაციაზე, არის ჰიპოკამპი.

ჰიპოკამპი ჩართულია სხვადასხვა პროცესებში: ემოციების ფორმირებაში, მოკლევადიანი მეხსიერების გრძელვადიან მეხსიერებად გადაქცევაში და სივრცითი მეხსიერების ფორმირებაში. სწორედ ეს უკანასკნელი არის სწორედ იმ „რუკების“ წყარო, რომლებსაც ჩვენი ტვინი საჭირო მომენტში იძახებს სივრცეში უფრო ეფექტური ორიენტაციისთვის. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ჰიპოკამპი ინახავს იმ სივრცის სამგანზომილებიან ნერვულ მოდელებს, რომელშიც მდებარეობს ტვინის მფლობელი.

ჰიპოკამპუსი

არსებობს თეორია, რომელიც აცხადებს, რომ რეალურ ნავიგაციასა და ჰიპოკამპის რუკებს შორის არის შუალედური ნაბიჯი - ამ რუქების გადაქცევა პირველ პირის ხედად. ანუ ადამიანი ცდილობს გაიგოს, სად მდებარეობს რაღაც არა ზოგადად (როგორც ვხედავთ რეალურ რუკებზე), არამედ სად განთავსდება რაღაც თავისთან შედარებით (როგორც „ქუჩის ხედის“ ფუნქცია Google Maps-ში).

ნაშრომის ავტორები, რომლებსაც განვიხილავთ, ხაზს უსვამენ შემდეგს: გარემოს კოგნიტური რუქები დაშიფრულია ჰიპოკამპის ფორმირებაში ალოცენტრულ სისტემაში, მაგრამ მოტორული უნარები (თვით მოძრაობები) წარმოდგენილია ეგოცენტრულ სისტემაში.

UFO: Enemy Unknown (ალოცენტრული სისტემა) და DOOM (ეგოცენტრული სისტემა).

სხვაობა ალოცენტრულ და ეგოცენტრულ სისტემებს შორის მსგავსია სხვაობის თამაშებს შორის მესამე პირის ხედიდან (ან გვერდითი ხედიდან, ზედა ხედიდან და ა.შ.) და თამაშებს შორის პირველი პირის ხედიდან. პირველ შემთხვევაში ჩვენთვის მნიშვნელოვანია თავად გარემო, მეორეში ჩვენი პოზიცია ამ გარემოსთან მიმართებაში. ამრიგად, ალოცენტრული სანავიგაციო გეგმები უნდა გადაკეთდეს ეგოცენტრულ სისტემად ფაქტობრივი განხორციელებისთვის, ე.ი. მოძრაობა სივრცეში.

მკვლევარები თვლიან, რომ ეს არის დორსომედიური striatum (DMS)* გადამწყვეტ როლს თამაშობს ზემოაღნიშნულ პროცესში.

ადამიანის ტვინის სტრიატუმი.

ზოლიანი * - ტვინის ნაწილი, რომელიც ეკუთვნის ბაზალურ განგლიებს; striatum ჩართულია კუნთების ტონის, შინაგანი ორგანოების და ქცევითი რეაქციების რეგულირებაში; სტრიატუმს ასევე უწოდებენ "სტრიატუმს" ნაცრისფერი და თეთრი ნივთიერების მონაცვლეობითი ზოლების სტრუქტურის გამო.

DMS აჩვენებს ნერვულ პასუხებს, რომლებიც დაკავშირებულია გადაწყვეტილებების მიღებასთან და მოქმედებების შესრულებასთან სივრცეში ნავიგაციასთან დაკავშირებით, ამიტომ ტვინის ეს რეგიონი უფრო დეტალურად უნდა იქნას შესწავლილი.

კვლევის შედეგები

ეგოცენტრული სივრცითი ინფორმაციის არსებობის/არარსებობის დასადგენად სტრიატუმში (DMS), 4 მამრ ვირთხას ჩაუნერგეს 16-მდე ტეტროდი (სპეციალური ელექტროდები, რომლებიც დაკავშირებულია ტვინის სასურველ უბნებთან), რომლებიც მიზნად ისახავს DMS-ს (1а).

სურათი #1: ზოლიანი უჯრედების პასუხი გარემოს საზღვრებზე ეგოცენტრული მითითების ჩარჩოში.

ახსნა სურათი No1:а — ტეტროდის მდებარეობის წერტილები;
b - ეგოცენტრული საზღვრების რუკა;
с - ალოცენტრული სივრცითი რუქები (მარცხნივ 4 კვადრატი), უჯრედების საპასუხო მწვერვალების ადგილმდებარეობების ფერადი კოდირებული ტრაექტორიული ნახაზები სხეულის პოზიციასთან შედარებით, და ეგოცენტრული რუკები (მარჯვნივ 4 კვადრატი) ეფუძნება EBC უჯრედების პასუხს სხვადასხვა ორიენტაციაზე და მანძილი ვირთხასა და კედელს შორის;
d - როგორც 1 ს, მაგრამ EBC-სთვის ცხოველისგან სასურველი მანძილით;
e - როგორც 1 ს, მაგრამ ორი შებრუნებული EBC-ისთვის;
f — დაკვირვებული უჯრედებისთვის მიღებული საშუალო სიგრძის განაწილება;
g - EBC-სთვის მიღებული საშუალო სიგრძის განაწილება მოძრაობის მიმართულებისა და თავის მიმართულების გამოყენებით;
h - უჯრედების საშუალო პასუხის განაწილება (ყველა და EBC).

ჩატარდა 44 ექსპერიმენტი, რომელშიც ვირთხები აგროვებდნენ შემთხვევით მიმოფანტულ საკვებს ნაცნობ სივრცეში (ღია, არა ლაბირინთში). შედეგად დაფიქსირდა 939 უჯრედი. შეგროვებული მონაცემებიდან იდენტიფიცირებული იყო თავის მიმართულების 31 უჯრედი (HDC), მაგრამ უჯრედების მხოლოდ მცირე ნაწილს, ზუსტად 19-ს, ჰქონდა ალოცენტრული სივრცითი კორელაციები. უფრო მეტიც, ამ უჯრედების აქტივობა, რომელიც შემოიფარგლება გარემოს პერიმეტრით, დაფიქსირდა მხოლოდ ვირთხის მოძრაობის დროს სატესტო კამერის კედლების გასწვრივ, რაც ვარაუდობს ეგოცენტრულ სქემას სივრცის საზღვრების კოდირებისთვის.

უჯრედის პიკური აქტივობის საფუძველზე ასეთი ეგოცენტრული წარმოდგენის შესაძლებლობების შესაფასებლად, შეიქმნა ეგოცენტრული საზღვრების რუქები (1b), რომელიც ასახავს საზღვრების ორიენტაციას და მანძილს ვირთხის მოძრაობის მიმართულებასთან შედარებით, ვიდრე მისი თავის პოზიციაზე (შედარება 1g).

ჩაწერილი უჯრედების 18%-მა (171-დან 939) აჩვენა მნიშვნელოვანი პასუხი, როდესაც კამერის საზღვარი იკავებდა გარკვეულ პოზიციას და ორიენტაციას ექსპერიმენტულთან შედარებით (1f). მეცნიერები მათ ეგოცენტრულ სასაზღვრო უჯრედებს (EBCs) უწოდებენ. ეგოცენტრული სასაზღვრო უჯრედები). ასეთი უჯრედების რაოდენობა ექსპერიმენტულ სუბიექტებში მერყეობდა 15-დან 70-მდე, საშუალოდ 42.75 (1c, 1d).

ეგოცენტრული საზღვრების უჯრედებს შორის იყო ისეთებიც, რომელთა აქტივობა შემცირდა პალატის საზღვრების საპასუხოდ. სულ 49 იყო და მათ უწოდეს ინვერსიული EBC (iEBC). უჯრედების საშუალო პასუხი (მათი მოქმედების პოტენციალი) EBC და iEBC იყო საკმაოდ დაბალი - 1,26 ± 0,09 ჰც (1h).

EBC უჯრედების პოპულაცია პასუხობს კამერის საზღვრის ყველა ორიენტაციას და პოზიციას ტესტის სუბიექტთან მიმართებაში, მაგრამ სასურველი ორიენტაციის განაწილება ბიმოდალურია მწვერვალებით, რომლებიც მდებარეობს ცხოველის ორივე მხარეს ერთმანეთის საპირისპიროდ 180° (-68° და 112°) ცხოველის პერპენდიკულარიდან გრძელ ღერძზე ოდნავ გადახრილი 22°-ით (2d).

სურათი #2: სასურველი ორიენტაცია და მანძილი ეგოცენტრული სასაზღვრო უჯრედების პასუხისთვის (EBCs).

ახსნა სურათი No2:a — ეგოცენტრული საზღვრების რუქები ოთხი ერთდროულად გამოკვლეული EBC-სთვის, სხვადასხვა სასურველი ორიენტაციებით, რომლებიც მითითებულია თითოეული გრაფიკის ზემოთ;
b - ტეტროდების პოზიცია უჯრედების შესაბამისად 2а (ნომრები მიუთითებს ტეტროდის ნომერზე);
с - სასურველი ორიენტაციების ალბათობის განაწილება ერთი ვირთხის ყველა EBC-სთვის;
d - ყველა ვირთხის EBC-სთვის სასურველი ორიენტაციების ალბათობის განაწილება;
е - ტეტროდის პოზიციები უჯრედებისთვის ნაჩვენები 2f;
f - ეგოცენტრული საზღვრების რუქები ექვსი ერთდროულად ჩაწერილი EBC-სთვის, თითოეული გრაფიკის ზემოთ მითითებული სხვადასხვა სასურველი მანძილით;
g - სასურველი მანძილის ალბათობის განაწილება ერთი ვირთხის ყველა EBC-სთვის;
h - ყველა ვირთხის EBC-სთვის სასურველი მანძილის ალბათობის განაწილება;
i არის ყველა EBC-სთვის სასურველი მანძილისა და სასურველი ორიენტაციის პოლარული ნაკვეთი, სივრცის ზომა წარმოდგენილია წერტილების ფერითა და დიამეტრით.

სასურველი მანძილის განაწილება საზღვრამდე შეიცავდა სამ მწვერვალს: 6.4, 13.5 და 25.6 სმ, რაც მიუთითებს სამი განსხვავებული სასურველი მანძილის არსებობაზე EBC-ებს შორის (2f-2h), რაც შეიძლება მნიშვნელოვანი იყოს იერარქიული სანავიგაციო ძიების სტრატეგიისთვის. EBC მიმღები ველების ზომა გაიზარდა სასურველი მანძილის ფუნქციის მიხედვით (2i), რაც მიუთითებს იმაზე, რომ საზღვრების ეგოცენტრული წარმოდგენის სიზუსტე იზრდება კედელსა და ექსპერიმენტულ საგანს შორის მანძილის შემცირებით.

ორივე სასურველ ორიენტაციას და მანძილს არ ჰქონდა მკაფიო ტოპოგრაფია, რადგან სუბიექტის აქტიური EBC-ები სხვადასხვა ორიენტაციისა და კედელთან შედარებით დისტანციით ჩნდებოდნენ იმავე ტეტროდზე (2a, 2b, 2e и 2f).

ასევე აღმოჩნდა, რომ EBC-ები მუდმივად რეაგირებენ სივრცის საზღვრებზე (კამერის კედლები) სატესტო კამერების ნებისმიერ ვერსიაში. იმის დასადასტურებლად, რომ EBCs რეაგირებს კამერის ლოკალურ საზღვრებზე და არა მის დისტალურ მახასიათებლებზე, მეცნიერებმა კამერის პოზიცია 45°-ით „შეატრიალეს“ და რამდენიმე კედელი გააშავეს, რაც მას განსხვავდებოდა წინა ტესტებში გამოყენებულისგან.

მონაცემები შეგროვდა როგორც ნორმალურ ტესტის პალატაში, ასევე როტაციულ პალატაში. ტესტის პალატაში ცვლილების მიუხედავად, ყველა სასურველი ორიენტაცია და დისტანცია EBC ტესტის სუბიექტების კედლებთან იგივე დარჩა.

კუთხეების მნიშვნელობიდან გამომდინარე, ასევე განიხილებოდა შესაძლებლობა, რომ EBC-ები ცალსახად დაშიფვრა ამ ადგილობრივი გარემოსდაცვითი ატრიბუტები. განსხვავების იზოლირებით პასუხს კუთხეებთან და პასუხს შორის კედლის შუა მახლობლად, ჩვენ გამოვავლინეთ EBC უჯრედების ქვეჯგუფი (n = 16; 9,4%), რომლებიც აჩვენებენ გაზრდილ პასუხს კუთხეებზე.

ამრიგად, ჩვენ შეგვიძლია გავაკეთოთ შუალედური დასკვნა, რომ ეს არის EBC უჯრედები, რომლებიც კარგად რეაგირებენ კამერის პერიმეტრზე, ანუ საცდელი კამერის კედლებზე და მის კუთხეებზე.

შემდეგ მეცნიერებმა გამოსცადეს, არის თუ არა EBC უჯრედების პასუხი ღია სივრცეზე (სატესტო არენა ლაბირინთის გარეშე, ანუ სულ რაღაც 4 კედელი) იგივეა თუ არა სატესტო ოთახის ფართობის სხვადასხვა ვერსიებისთვის. განხორციელდა 3 გარბენი, რომელთაგან თითოეულში კედლების სიგრძე წინადან 50 სმ-ით განსხვავდებოდა.

განურჩევლად საცდელი კამერის ზომისა, EBC-ები პასუხობდნენ მის საზღვრებს იმავე მანძილით და ორიენტირებით ტესტის სუბიექტთან შედარებით. ეს მიუთითებს იმაზე, რომ პასუხი არ არის მასშტაბური გარემოს ზომით.

სურათი #3: EBC უჯრედების სტაბილური რეაქცია სივრცულ საზღვრებზე.

ახსნა სურათი No3:а — ეგოცენტრული EBC რუქები ნორმალურ პირობებში (მარცხნივ) და როდესაც საცდელი კამერა შემოტრიალდა 45°-ით (მარჯვნივ);
b — ეგოცენტრული EBC რუქები კამერისთვის, რომლის ზომებია 1.25 x 1.25 მ (მარცხნივ) და გაფართოებული კამერისთვის 1.75 x 1.75 მ (მარჯვნივ);
с — ეგოცენტრული EBC რუკები რეგულარული შავი კამერის კედლებით (მარცხნივ) და ნახატიანი კედლებით (მარჯვნივ);
d-f - სასურველი მანძილის გრაფიკები (ზედა) და სასურველი ორიენტაციის ცვლილებები საბაზისო ხაზთან შედარებით (ქვედა).

იმის გამო, რომ სტრიატუმი იღებს ინფორმაციას გარემოს შესახებ ტვინის ვიზუალური ქერქის რამდენიმე უბნიდან, მეცნიერებმა ასევე შეამოწმეს, გავლენას ახდენს თუ არა კედლების გარეგნობა (3 ს) კამერები EBC უჯრედების პასუხზე.

სივრცის საზღვრების გარეგნობის შეცვლამ არ მოახდინა გავლენა EBC უჯრედების რეაქციაზე ან რეაქციისთვის საჭირო მანძილსა და ორიენტაციაზე ექსპერიმენტულ სუბიექტთან მიმართებაში.

სურათი #4: EBC უჯრედის რეაქციის თანმიმდევრულობა გარემოს მიუხედავად.

ახსნა სურათი No4:а — ეგოცენტრული რუქები EBC-სთვის ნაცნობ (მარცხნივ) და ახალ (მარჯვნივ) გარემოში;
b — ეგოცენტრული რუკები EBC-სთვის, მიღებული იმავე გარემოში, მაგრამ დროის ინტერვალით;
с - სასურველი მანძილის (ზემოდან) გრაფიკები და სასურველი ორიენტაციის ცვლილებები საბაზისო ხაზთან (ქვედა) ახალი (უცნობი) გარემოებისთვის;
d - სასურველი მანძილის (ზემოდან) და სასურველი ორიენტაციის ცვლილებების გრაფიკები საბაზისო ხაზთან (ქვედა) ადრე შესწავლილი (ნაცნობი) გარემოებისთვის.

ასევე აღმოჩნდა, რომ EBC უჯრედების რეაქცია, ისევე როგორც საჭირო ორიენტაცია და მანძილი ექსპერიმენტულ სუბიექტთან, დროთა განმავლობაში არ იცვლება.

თუმცა, ეს „დროული“ ტესტი ჩატარდა იმავე საცდელ პალატაში. ასევე საჭირო იყო იმის შემოწმება, თუ რა განსხვავება იყო EBC პასუხს ცნობილ პირობებსა და ახალ პირობებს შორის. ამისათვის ჩატარდა რამდენიმე გაშვება, როდესაც ვირთხებმა შეისწავლეს კამერა, რომელიც მათ უკვე იცოდნენ წინა ტესტებიდან, შემდეგ კი ახალი კამერები ღია სივრცით.

როგორც თქვენ მიხვდით, EBC უჯრედის პასუხი + სასურველი ორიენტაცია/დისტანცია უცვლელი დარჩა ახალ კამერებში (4a, 4c).

ამრიგად, EBC პასუხი უზრუნველყოფს გარემოს საზღვრების სტაბილურ წარმოდგენას ტესტის სუბიექტთან შედარებით ამ გარემოს ყველა ტიპში, მიუხედავად კედლების გარეგნობის, ტესტის კამერის ფართობის, მისი მოძრაობისა და დროისა. პალატაში გატარებული საგანი.

კვლევის ნიუანსების უფრო დეტალური გაცნობისთვის გირჩევთ ნახოთ მეცნიერები იუწყებიან и დამატებითი მასალები მას.

ეპილოგი

ამ ნაშრომში მეცნიერებმა შეძლეს პრაქტიკაში დაადასტურონ გარემოს ეგოცენტრული წარმოდგენის თეორია, რაც უაღრესად მნიშვნელოვანია სივრცეში ორიენტაციისთვის. მათ აჩვენეს, რომ ალოცენტრულ სივრცულ წარმოდგენასა და რეალურ მოქმედებას შორის არის შუალედური პროცესი, რომელიც მოიცავს გარკვეულ უჯრედებს სტრიატუმში, რომელსაც ეწოდება ეგოცენტრული სასაზღვრო უჯრედები (EBC). ასევე გაირკვა, რომ EBC უფრო დაკავშირებული იყო მთელი სხეულის მოძრაობის კონტროლთან და არა მხოლოდ ცდის პირების თავისთან.

ეს კვლევა მიზნად ისახავდა სივრცეში ორიენტაციის სრული მექანიზმის, მისი ყველა კომპონენტისა და ცვლადის დადგენას. ეს ნამუშევარი, მეცნიერთა აზრით, კიდევ უფრო შეუწყობს ხელს ნავიგაციის ტექნოლოგიების გაუმჯობესებას ავტონომიური მანქანებისთვის და რობოტებისთვის, რომლებიც შეძლებენ გაიგონ მათ გარშემო არსებული სივრცე, ისევე როგორც ჩვენ. მკვლევარები უაღრესად კმაყოფილი არიან თავიანთი სამუშაოს შედეგებით, რომლებიც საფუძველს იძლევა გააგრძელონ ტვინის გარკვეულ უბნებს შორის ურთიერთობის შესწავლა და როგორ ხდება ნავიგაცია სივრცეში.

გმადლობთ ყურადღებისთვის, იყავით ცნობისმოყვარეები და წარმატებულ კვირას გისურვებთ ყველას! 🙂

გმადლობთ, რომ დარჩით ჩვენთან. მოგწონთ ჩვენი სტატიები? გსურთ ნახოთ უფრო საინტერესო შინაარსი? მხარი დაგვიჭირეთ შეკვეთის განთავსებით ან მეგობრებისთვის რეკომენდაციით, 30% ფასდაკლება Habr-ის მომხმარებლებისთვის საწყისი დონის სერვერების უნიკალურ ანალოგზე, რომელიც ჩვენ მიერ გამოგონილია თქვენთვის: მთელი სიმართლე VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps 20$-დან ან როგორ გავაზიარო სერვერი? (ხელმისაწვდომია RAID1 და RAID10-ით, 24 ბირთვამდე და 40 გბ-მდე DDR4).

Dell R730xd 2-ჯერ იაფია? Მხოლოდ აქ 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ტელევიზორი $199-დან ნიდერლანდებში! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - $99-დან! Წაიკითხო რაღაცის შესახებ როგორ ავაშენოთ ინფრასტრუქტურის კორპუსი. კლასი Dell R730xd E5-2650 v4 სერვერების გამოყენებით 9000 ევროს ღირებულების პენი?

წყარო: www.habr.com