Three Pines에서 길을 잃지 마십시오: 환경에 대한 자기 중심적 관점

운동은 생명입니다. 이 문구는 가만히 서서 원하는 것을 달성하지 않고 앞으로 나아가려는 동기와 거의 모든 생명체가 대부분의 삶을 움직이고 있다는 사실에 대한 진술로 해석될 수 있습니다. 우리의 움직임과 공간에서의 움직임이 매번 이마에 부딪히고 다리에 새끼 손가락이 부러지는 것으로 끝나지 않도록 하기 위해 우리의 뇌는 우리가 움직이는 순간 무의식적으로 튀어나오는 저장된 환경 "지도"를 사용합니다. . 그러나 두뇌는 말하자면 외부에서 이 카드를 적용하는 것이 아니라 사람을 이 카드에 올려놓고 XNUMX인칭 시점에서 데이터를 수집하는 방식으로 적용한다는 의견이 있다. Boston University의 과학자들은 실험실 쥐를 대상으로 일련의 실제 실험을 수행하여 이 이론을 증명하기로 결정했습니다. 뇌는 실제로 우주에서 어떻게 탐색하고, 어떤 세포가 관련되어 있으며, 이 연구가 자율 자동차와 로봇의 미래를 위해 어떤 역할을 합니까? 우리는 연구 그룹의 보고서에서 이에 대해 배웁니다. 가다.

연구기반

따라서 수년 전에 확립된 사실은 공간에서 방향을 담당하는 뇌의 주요 부분이 해마라는 것입니다.

해마는 감정 형성, 단기 기억에서 장기 기억으로의 전환, 공간 기억 형성 등 다양한 과정에 관여합니다. 공간에서보다 효율적인 방향을 위해 우리의 뇌가 적시에 호출하는 바로 그 "지도"의 원천은 후자입니다. 즉, 해마는 뇌의 주인이 위치한 공간의 XNUMX차원 신경 모델을 저장합니다.

해마

실제 내비게이션과 해마의 지도 사이에 중간 단계가 있다는 이론이 있습니다. 즉, 이러한 지도를 XNUMX인칭 시점으로 변환하는 것입니다. 즉, 사람은 무언가가 어디에 있는지 전혀 이해하지 못하지만(실제 지도에서 볼 수 있듯이) 무언가가 상대적으로 위치할 위치(예: Google 지도의 "스트리트 뷰" 기능)를 이해하려고 합니다.

우리가 고려하고 있는 작업의 저자는 다음을 강조합니다. 환경의 인지 지도는 동종 중심 시스템의 해마 형성에 인코딩되지만 운동 기술(움직임 자체)은 자기 중심 시스템으로 표현됩니다.

UFO: Enemy Unknown(동기 중심 시스템) 및 DOOM(자기 중심 시스템).

동종 중심 시스템과 자기 중심 시스템의 차이는 XNUMX인칭 게임(또는 사이드 뷰, 탑 뷰 등)과 XNUMX인칭 게임의 차이와 같습니다. 첫 번째 경우에는 환경 자체가 우리에게 중요하고 두 번째 경우에는 이 환경과 관련된 우리의 위치가 중요합니다. 따라서 배심원 중심의 항해 계획은 실제 구현을 위해 자기 중심적인 시스템으로 변환되어야 합니다. 공간에서의 움직임.

연구자들은 그것이 배면이라고 믿습니다. 선조체(DMS)* 위 과정에서 중요한 역할을 합니다.

인간 두뇌의 선조체.

선조체* - 기저핵에 속하는 뇌의 일부; 선조체는 근긴장도, 내부 장기 및 행동 반응의 조절에 관여합니다. 선조체는 회백질과 백색질의 교대 띠 구조 때문에 "선조체"라고도 불립니다.

DMS는 공간 탐색과 관련된 의사 결정 및 행동과 관련된 신경 반응을 보여주므로 뇌의 이 영역을 더 자세히 연구해야 합니다.

연구 결과

선조체(DMS)에서 자기 중심적 공간 정보의 유무를 확인하기 위해 4마리의 수컷 쥐에게 DMS를 표적으로 하는 최대 16개의 tetrodes(뇌의 원하는 영역에 연결된 특수 전극)를 이식했습니다.1а).

이미지 #1: 자기 중심적 참조 프레임에서 환경 경계에 대한 선조체 세포 반응.

이미지 #1에 대한 설명:а - 사극의 위치 지점;
b - 경계의 자기중심적 지도;
с — 동종 중심 공간 맵(왼쪽에 4개의 사각형), 신체 위치에 대한 세포 반응 피크 위치의 색상으로 구분된 궤적 플롯, 다양한 방향과 거리에서 EBC 세포의 반응을 기반으로 하는 자기 중심 맵(오른쪽에 4개의 사각형) 쥐와 벽;
d - 아들 1c, 그러나 동물로부터 선호되는 거리가 있는 EBC의 경우;
e - 아들 1c, 그러나 두 개의 역 EBC에 대해;
f - 관찰된 세포에 대한 평균 결과 길이의 분포;
g - 이동 방향과 머리의 방향을 사용하여 EBC에 대한 평균 결과 길이의 분포;
h - 셀의 평균 응답 분포(전체 및 EBC).

쥐가 익숙한 공간(미로가 아닌 열린 공간)에 무작위로 흩어져 있는 음식을 수집하여 44가지 실험을 수행했습니다. 그 결과 939개의 세포가 기록되었다. 수집된 데이터에서 31개의 머리 방향 세포(HDC)의 존재가 확립되었지만 세포의 작은 부분, 보다 정확하게는 19개가 동종 중심 공간 상관 관계를 가졌습니다. 동시에, 환경의 경계에 의해 제한되는 이들 세포의 활동은 실험 챔버의 벽을 따라 쥐가 움직이는 동안에만 관찰되었으며, 이는 공간의 경계를 인코딩하기 위한 자기 중심적 계획을 제안합니다.

이러한 자기 중심적 표현의 가능성을 평가하기 위해 최대 세포 활동 지표를 기반으로 자기 중심적 경계 맵을 만들었습니다.1b), 쥐의 머리 위치가 아니라 쥐의 이동 방향에 대한 테두리의 방향과 거리를 나타냅니다(비교 1g).

포획된 세포의 18%(171개 중 939개)는 챔버 경계가 대상에 대해 특정 위치 및 방향을 차지할 때 상당한 반응을 보였습니다(1f). 과학자들은 그들을 자기 중심적 경계 세포(EBC)라고 불렀습니다. 자기중심경계세포). 실험 대상자에서 이러한 세포의 수는 15에서 70까지 다양했으며 평균 42.75(1c, 1d).

자기 중심적 경계의 세포 중에는 챔버의 경계에 따라 활동이 감소하는 세포가 있습니다. 총 49개가 있었고 역 EBC(iEBC)라고 불렸습니다. EBC와 iEBC에서 평균 세포 반응 지수(활성 전위)는 1,26 ± 0,09Hz로 상당히 낮았습니다(1h).

EBC 세포 집단은 피험자에 대한 챔버 경계의 모든 방향과 위치에 반응하지만 선호되는 방향의 분포는 동물의 양쪽에서 서로 180° 반대 위치에 있는 피크(-68° 및 112°)와 함께 바이모달(bimodal)입니다. 동물의 장축에 대한 수직에서 22°(2d).

이미지 #2: 자기중심적 경계 셀(EBC) 반응을 위한 기본 방향 및 간격.

이미지 #2에 대한 설명:a - 각 그래프 위에 표시된 서로 다른 기본 방향으로 동시에 연구된 XNUMX개의 EBC에 대한 자기 중심적 경계 맵;
b - 세포에 따른 사극의 위치 2а (숫자는 테트로드 번호를 나타냄);
с - 한 쥐의 모든 EBC에 대한 선호 방향의 확률 분포;
d - 모든 쥐의 EBC에 대한 선호 방향의 확률 분포;
е - 에 표시된 세포에 대한 사극의 위치 2f;
f - XNUMX개의 동시에 기록된 EBC에 대한 자기 중심적 경계 맵(각 플롯 위에 표시된 서로 다른 선호 거리 포함)
g 한 쥐의 모든 EBC에 대한 선호 거리의 확률 분포입니다.
h 모든 쥐의 EBC에 대한 기본 거리의 확률 분포입니다.
i - 색상 및 도트 직경으로 표시되는 공간 크기를 갖는 모든 EBC에 대한 선호 거리 및 선호 방향의 극좌표 플롯.

경계까지의 선호 거리 분포에는 6.4, 13.5 및 25.6cm의 세 가지 피크가 포함되어 있으며 이는 EBC 사이에 세 가지 선호 거리가 있음을 나타냅니다(2f-2h) 계층 탐색 검색 전략에 중요할 수 있습니다. EBC 수용 필드의 크기는 선호하는 거리에 따라 증가했습니다(2i), 벽과 피사체 사이의 거리가 감소함에 따라 경계의 자기 중심적 표현의 정확도가 증가함을 나타냅니다.

방향과 벽으로부터의 거리가 다른 피험자의 활성 EBC가 동일한 사극에 나타났기 때문에 선호하는 방향과 거리 모두에서 명확한 지형이 없었습니다.2a, 2b, 2e и 2f).

또한 EBC는 모든 테스트 챔버에서 공간의 경계(챔버 벽)에 안정적으로 응답하는 것으로 나타났습니다. EBC가 원위 기능이 아닌 챔버의 로컬 경계에 반응하는지 확인하기 위해 과학자들은 카메라 위치를 45°로 "회전"하고 여러 벽을 검은색으로 만들어 이전 테스트에서 사용된 것과 다르게 만들었습니다.

데이터는 기존의 테스트 챔버와 회전된 테스트 챔버 모두에서 수집되었습니다. 테스트 챔버의 변화에도 불구하고 EBC 테스트 대상의 벽에 대한 모든 기본 방향과 거리는 동일하게 유지되었습니다.

각도의 중요성을 고려할 때 EBC가 이러한 지역 환경 특성을 고유하게 인코딩할 가능성도 고려되었습니다. 모서리 근처의 반응과 벽 중앙 근처의 반응 사이의 차이를 분리하여 모서리에 대한 반응이 증가한 EBC 셀의 하위 집합(n = 16; 9,4%)을 식별했습니다.

따라서 우리는 챔버의 둘레, 즉 테스트 챔버의 벽과 모서리에 완벽하게 반응하는 것이 EBC 셀이라는 중간 결론을 내릴 수 있습니다.

다음으로, 과학자들은 열린 공간(미로가 없는 시험장, 즉 벽이 4개뿐인 시험장)에 대한 EBC 세포의 반응이 시험실 크기에 따라 동일한지 여부를 시험했습니다. 3번의 방문이 이루어졌는데, 각각의 벽의 길이는 이전의 것과 50cm 차이가 났습니다.

테스트 챔버의 크기에 관계없이 EBC는 테스트 대상에 대해 동일한 거리와 방향으로 경계에 반응했습니다. 이는 응답이 환경 크기에 따라 확장되지 않음을 나타냅니다.

이미지 #3: 공간 경계에 대한 EBC 셀의 안정적인 응답.

이미지 #3에 대한 설명:а — 정상 조건(왼쪽)과 테스트 챔버가 45° 회전된 경우(오른쪽)에서 자기 중심적 EBC 지도;
b — 1.25 x 1.25m 크기의 챔버(왼쪽) 및 1.75 x 1.75m 크기의 확장된 챔버(오른쪽)에 대한 자기 중심적 EBC 맵;
с — 일반적인 검정색 챔버 벽(왼쪽)과 패턴이 있는 벽(오른쪽)이 있는 자기 중심적 EBC 맵
d-f - 선호하는 거리(상단) 및 기준선(하단)에 상대적인 선호 방향의 변화에 ​​대한 그래프.

선조체는 시각 피질의 여러 영역에서 환경에 대한 정보를 받기 때문에 과학자들은 벽의 모양이 영향을 받는지 여부도 테스트했습니다.3c) EBC 세포의 반응을 위한 챔버.

공간 경계의 모양을 바꾸는 것은 EBC 세포의 반응과 피험자에 대한 반응에 필요한 거리와 방향에 영향을 미치지 않았습니다.

이미지 #4: 환경에 관계없이 EBC 세포 반응의 안정성.

이미지 #4에 대한 설명:а - 친숙한(왼쪽) 환경과 새로운(오른쪽) 환경에서 EBC에 대한 자기 중심적 지도;
b - 동일한 환경에서 얻은 EBC용 자기 중심 맵이지만 시간 간격이 있습니다.
с - 새로운(익숙하지 않은) 환경에 대한 기본 거리(상단) 및 기준선(하단)에 대한 선호 방향의 변화 그래프
d - 이전에 연구한(익숙한) 환경에 대해 선호하는 거리(위)와 기준선(아래)에 상대적인 선호 방향의 변화 그래프.

또한 EBC 세포의 반응과 피험자에 대한 요구되는 방향 및 거리가 시간이 지나도 변하지 않는 것으로 나타났습니다.

그러나 이 "임시" 테스트는 동일한 테스트 챔버에서 수행되었습니다. 알려진 조건과 새로운 조건에 대한 EBC의 반응 사이에 어떤 차이가 있는지 확인하는 것도 필요했습니다. 이를 위해 쥐가 이전 테스트에서 이미 알고 있는 챔버와 열린 공간이 있는 새 챔버를 연구할 때 여러 번 방문했습니다.

짐작하셨겠지만, EBC 세포 + 원하는 방향/거리의 반응은 새 챔버에서 변경되지 않은 상태로 유지되었습니다(4a, 4c).

따라서 EBC 반응은 벽의 모양, 테스트 챔버의 면적, 이동 및 챔버에서 피험자가 보낸 시간.

연구의 뉘앙스에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하는 것이 좋습니다. 과학자 보고서 и 추가 자료 그에게.

커튼콜

이 작업에서 과학자들은 공간의 방향에 매우 중요한 환경의 자기 중심적 표현 이론을 실제로 확인했습니다. 그들은 자기 중심적 경계 세포(EBC)라고 하는 선조체의 특정 세포가 참여하는 동종 중심 공간 표현과 실제 행동 사이에 중간 과정이 있음을 증명했습니다. 또한 EBC는 피험자의 머리뿐만 아니라 전신의 움직임 제어와 더 관련이 있는 것으로 밝혀졌습니다.

이 연구는 공간, 모든 구성 요소 및 변수에서 방향의 완전한 메커니즘을 결정하는 것을 목표로 했습니다. 과학자들에 따르면 이 작업은 자율주행차와 우리처럼 주변 공간을 이해할 수 있는 로봇의 내비게이션 기술을 더욱 향상시키는 데 도움이 될 것입니다. 연구원들은 뇌의 특정 영역과 공간 탐색 방법 사이의 관계를 계속 연구할 이유를 제공하는 연구 결과에 대해 매우 흥분하고 있습니다.

많은 관심 부탁드리며 모두들 즐거운 한주 보내세요! 🙂

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출처 : habr.com