Beweging is leven. Deze uitdrukking kan zowel geïnterpreteerd worden als een motivatie om vooruit te bewegen, niet stil te staan en te bereiken wat men wenst, als een constatering dat bijna alle levende wezens het grootste deel van hun leven in beweging zijn. Om ervoor te zorgen dat onze bewegingen en verplaatsingen in de ruimte niet elke keer eindigen met bulten op ons hoofd en gebroken kleine tenen, gebruikt onze hersenen opgeslagen 'kaarten' van de omgeving, die onbewust naar boven komen op het moment dat we ons bewegen. Er is echter ook een mening dat de hersenen deze kaarten niet vanuit een afstand gebruiken, maar de persoon op deze kaart plaatsen en gegevens verzamelen vanuit een eerstepersoonsperspectief. Onderzoekers van de Boston University hebben besloten deze theorie te bewijzen door een reeks praktische experimenten met laboratoriumratten uit te voeren. Hoe oriëntateert de hersenen zich werkelijk in de ruimte, welke cellen zijn hierbij betrokken, en welke rol speelt dit onderzoek voor de toekomst van autonome voertuigen en robots? Dit zullen we ontdekken uit het verslag van de onderzoeksgroep. Laten we beginnen.
De basis van het onderzoek
Het is dus een feit dat jarenlang is vastgesteld dat de belangrijkste deel van de hersenen die verantwoordelijk is voor oriëntatie in de ruimte de hippocampus is.
De hippocampus is betrokken bij verschillende processen: het vormen van emoties, het omzetten van kortetermijngeheugen in langetermijngeheugen en het vormen van ruimtelijk geheugen. Juist dat laatste is de bron van de 'kaarten' die onze hersenen op het juiste moment oproepen voor een effectievere oriëntatie in de ruimte. Met andere woorden, in de hippocampus worden driedimensionale neuronale modellen van de ruimte opgeslagen, waarin de eigenaar van de hersenen zich bevindt.
Hippocampus
Er bestaat een theorie die stelt dat er een tussenliggend stadium is tussen de feitelijke navigatie en de kaarten uit de hippocampus — de omzetting van deze kaarten naar een eerstepersoonsperspectief. Dat wil zeggen, een persoon probeert te begrijpen waar dingen zijn, niet gewoon (zoals we zien op echte kaarten), maar waar dingen zich zullen bevinden ten opzichte van zichzelf (zoals de functie 'straatweergave' in Google Maps).
De auteurs van het werk dat we onderzoeken benadrukken het volgende: Cognitieve kaarten van de omgeving worden gecodeerd in de hippocampale formatie in een allocentrisch systeem, maar de motoriek (de bewegingen zelf) wordt gepresenteerd in een egoïstisch systeem.
UFO: Enemy Unknown (allocentrisch systeem) en DOOM (egoïstisch systeem).
Het verschil tussen allocentrische en egoïstische systemen lijkt op het verschil tussen derde-persoon spellen (of zijaanzicht, bovenaanzicht, etc.) en eerste-persoon spellen. In het eerste geval is de omgeving zelf belangrijk voor ons, in het tweede geval is onze positie ten opzichte van die omgeving essentieel. Daardoor moeten allocentrische navigatieplannen worden omgevormd naar een egoïstisch systeem voor daadwerkelijke uitvoering, d.w.z. beweging in de ruimte.
Onderzoekers geloven dat de dorsomediale striatum (DMS)* een cruciale rol speelt in het hierboven beschreven proces.
De striatum van de mens.
Striatum* is een deel van de hersenen dat behoort tot de basale kernen; striatum is betrokken bij de regulatie van spiertonus, interne organen en gedragsreacties; striatum wordt ook wel "gestreept lichaam" genoemd vanwege de structuur van afwisselende strepen van grijs en wit materiaal.
DMS toont neuronale reacties die verband houden met besluitvorming en het uitvoeren van acties met betrekking tot navigatie in de ruimte, daarom dient dit hersengebied verder te worden bestudeerd.
Onderzoeksresultaten
Om de aanwezigheid/onafwezigheid van egoïstische ruimtelijke informatie in het gestreepte lichaam (DMS) vast te stellen, kregen 4 mannelijke ratten tot 16 tetrodes (speciale elektroden aangesloten op de relevante delen van de hersenen) geïmplanteerd, gericht op de DMS (1a).
Afbeelding Nr. 1: reactie van cellen in het gestreepte lichaam op grenzen van de omgeving in het egoïstisch coördinatensysteem.
Toelichtingen bij Afbeelding Nr. 1:a — locaties van de tetrodes;
b — egoïstische kaart van de grenzen;
met — allocentrische ruimtelijke kaarten (4 vierkanten links), grafieken van de trajecten met kleuren die de locaties van piekreacties van cellen ten opzichte van de positie van het lichaam coderen en egoïstische kaarten (4 vierkanten rechts) op basis van de reacties van cellen EBC bij verschillende oriëntaties en afstanden tussen de rat en de muur;
We verwijderen de huidige partitie om een nieuwe aan te maken voor in totaal 50 GB. — zoals op 1c, maar voor EBC met voorkeur afstanden, verwijderd van het dier;
e — zoals op 1c, maar voor twee omgekeerde EBC;
f — de verdeling van de gemiddelde resulterende lengte voor de waargenomen cellen;
g — de verdeling van de gemiddelde resulterende lengte voor EBC met gebruik van bewegingsrichting en koprichting;
h — de verdeling van de gemiddelde responsreactie van cellen (zowel alle als EBC).
Er zijn 44 experimenten uitgevoerd, waarbij ratten willekeurig verspreid voedsel verzamelden in een voor hen bekende ruimte (open, geen doolhof). In totaal werden 939 cellen geregistreerd. Uit de verzamelde gegevens werd vastgesteld dat er 31 richting-kop cellen (HDC) aanwezig waren, maar slechts een klein aantal cellen, namelijk 19, had allocentrische ruimtelijke correlaten. De activiteit van deze cellen, beperkt tot de omtrek van de omgeving, werd alleen waargenomen wanneer de rat langs de muren van de testkamer bewoog, wat wijst op een egocentrisch coderingsschema voor de grenzen van de ruimte.
Om de mogelijkheden van een dergelijke egocentrische representatie op basis van de piekwaarden van cellulaire activiteit te evalueren, zijn er egocentrische kaarten van de grenzen gemaakt (1b), die de oriëntatie en afstand van de grenzen illustreren ten opzichte van de bewegingsrichting van de rat, en niet de positie van zijn kop (vergelijking in 1g).
18% van de geregistreerde cellen (171 van de 939) toonden een significante responsreactie wanneer de grens van de kamer een specifieke positie en oriëntatie ten opzichte van de proefpersoon innam (1f). Wetenschappers noemden ze egocentrische grenscellen (EBC — egocentric boundary cells). Het aantal van dergelijke cellen bij proefpersonen varieerde van 15 tot 70 met een gemiddelde van 42.75 (1c, 1d).
Onder de egocentrische grenscellen waren er ook cellen waarvan de activiteit afnam in reactie op de grenzen van de kamer. In totaal waren er 49 en deze werden omgekeerde EBC (iEBC) genoemd. De gemiddelde reactie van de cellen (hun actiepotentiaal) bij EBC en iEBC was vrij laag — 1,26 ± 0,09 Hz (1h).
De populatie EBC-cellen reageert op alle varianten van oriëntatie en positie van de grens van de kamer ten opzichte van de proefpersoon, maar de verdeling van de voorkeuroriëntatie is bimodaal, met pieken die recht tegenover elkaar liggen op 180° aan beide zijden van het dier (-68° en 112°), iets verschoven van de loodlijn op de lange as van het dier, met 22° (2d).
Afbeelding nr. 2: voorkeursoriëntatie en afstand voor de reactie van egocentrische grenscellen (EBC).
Toelichtingen bij afbeelding nr. 2:a — egocentrische grenskaarten voor vier gelijktijdig onderzochte EBC met verschillende voorkeursoriëntaties, aangegeven boven elke grafiek;
b — positie van de tetrodes in overeenstemming met de cellen van 2a (de getallen geven het nummer van de tetrode aan);
met — kansverdelingen van voorkeursoriëntaties voor alle EBC van één rat;
We verwijderen de huidige partitie om een nieuwe aan te maken voor in totaal 50 GB. — kansverdelingen van voorkeursoriëntaties voor EBC van alle ratten;
e — positie van de tetrodes voor de cellen, weergegeven op 2f;
f — egocentrische grenskaarten voor zes gelijktijdig geregistreerde EBC met verschillende voorkeursafstanden, aangegeven boven elke grafiek;
g — kansverdeling van de voorkeursafstand voor alle EBC van één rat;
h — kansverdeling van de voorkeursafstand voor EBC van alle ratten;
i — poolgrafiek van voorkeursafstand en voorkeursoriëntatie voor alle EBC, waarbij de ruimtegrootte wordt weergegeven door kleur en diameter van de punten.
De verdeling van de voorkeursafstand tot de grens bevatte drie pieken: 6,4, 13,5 en 25,6 cm, wat wijst op de aanwezigheid van drie verschillende voorkeursafstanden tussen EBC (2f—2h), die belangrijk kunnen zijn voor de strategie van hiërarchisch navigeren. De grootte van de receptieve velden van EBC nam toe afhankelijk van de voorkeursafstand (2i), wat wijst op een toename van de nauwkeurigheid van het egocentrische grensenbeeld bij een afname van de afstand tussen de muur en de proefpersoon.
Zowel in voorkeursoriëntatie als in afstand ontbrak een duidelijke topografie, aangezien actieve EBC van de proefpersoon met verschillende oriëntatie en afstand ten opzichte van de muur op dezelfde tetrode verschenen (2a, 2b, 2e en 2f).
Ook werd vastgesteld dat EBC consistent reageren op de grenzen van de ruimte (wand van de kamer) in alle varianten van testkamers. Om te bevestigen dat EBC reageren op lokale grenzen van de kamer en niet op de distale kenmerken, draaiden de wetenschappers de positie van de kamer met 45° en maakten ze enkele muren zwart, waardoor deze verschilde van die gebruikt in eerdere tests.
Gegevens werden verzameld zowel in een gewone testkamer als in de gedraaide. Ondanks de wijziging van de testkamer bleven alle voorkeursoriëntaties en afstanden ten opzichte van de muren bij de EBC-subjecten hetzelfde.
Gezien het belang van hoeken werd ook de mogelijkheid overwogen dat EBC deze lokale omgevingsattributen uniek codeert. Door het verschil in reactie nabij de hoeken en de reactie nabij het midden van de muur te isoleren, werd een subset van EBC-cellen (n = 16; 9,4%) geïdentificeerd die een verhoogde reactie op de hoeken vertoont.
Daarom kan voorlopig worden geconcludeerd dat de EBC-cellen goed reageren op de perimeter van de kamer, dat wil zeggen op de muren van de testkamer en op de hoeken ervan.
Vervolgens hebben de wetenschappers onderzocht of de reactie van EBC-cellen op open ruimte (de testarena zonder doolhof, d.w.z. gewoon 4 muren) hetzelfde is bij verschillende varianten van de oppervlakte van de testkamer. Er zijn 3 rondes uitgevoerd, waarbij de lengte van de muren in elke ronde met 50 cm verschilde van de voorgaande.
Ongeacht de afmetingen van de testkamer reageerden EBC's op de grenzen ervan op dezelfde afstand en oriëntering ten opzichte van het subject. Dit wijst op de afwezigheid van schaling in de reactie afhankelijk van de grootte van de omgeving.
Afbeelding 3: stabiele reactie van EBC-cellen op de grens van de ruimte.
Toelichtingen bij afbeelding 3:a — egocentrische kaarten van EBC in normale omstandigheden (links) en bij het draaien van de testkamer met 45° (rechts);
b — egocentrische kaarten van EBC voor een kamer van 1.25 x 1.25 m (links) en voor een vergrote kamer van 1.75 x 1.75 m (rechts);
met — egocentrische kaarten van EBC bij gewone zwarte muren van de kamer (links) en bij gemusterde muren (rechts);
We verwijderen de huidige partitie om een nieuwe aan te maken voor in totaal 50 GB.—f — grafieken van de voorkeurafstand (boven) en de verandering van de voorkeuroriëntatie ten opzichte van de basislijn (onder).
Aangezien het gestreepte lichaam informatie over de omgeving ontvangt van verschillende gebieden van de visuele cortex van de hersenen, hebben de wetenschappers ook onderzocht of het uiterlijk van de muren (3s) van de kamer invloed heeft op de reactie van EBC-cellen.
Verandering van het uiterlijk van de grenzen van de ruimte had geen invloed op de reactie van EBC-cellen en op de benodigde afstand en oriëntering voor de reactie ten opzichte van het subject.
Afbeelding 4: stabiliteit van de reactie van EBC-cellen ongeacht de omgeving.
Uitleg bij afbeelding nr. 4:a — egocentrische kaarten voor EBC in een bekende (links) en nieuwe (rechts) omgeving;
b — egocentrische kaarten voor EBC, verkregen in dezelfde omgeving, maar met een tijdsinterval;
met — grafieken van de voorkeurafstand (boven) en veranderingen in de voorkeurorëntatie ten opzichte van de basislijn (onder) voor nieuwe (onbekende) omgevingen;
We verwijderen de huidige partitie om een nieuwe aan te maken voor in totaal 50 GB. — grafieken van de voorkeurafstand (boven) en veranderingen in de voorkeurorëntatie ten opzichte van de basislijn (onder) voor eerder bestudeerde (bekende) omgevingen.
Daarnaast werd vastgesteld dat de reactie van EBC-cellen, evenals de benodigde oriëntatie en afstand ten opzichte van de proefpersoon, in de loop van de tijd niet veranderen.
Echter, deze 'tijd'-test werd uitgevoerd in dezelfde testkamer. Het was ook nodig om te controleren wat het verschil is tussen de reactie van EBC op bekende omstandigheden en nieuwe. Hiervoor werden verschillende proeven uitgevoerd waarbij ratten de kamer bestudeerden die ze al kenden uit eerdere tests, gevolgd door nieuwe kamers met open ruimtes.
Zoals je al waarschijnlijk hebt geraden, bleef de reactie van EBC + de benodigde oriëntatie/afstand onveranderd in de nieuwe kamers (4a, 4c).
Derhalve zorgt de EBC-reactie voor een stabiele voorstelling van de grenzen van de omgeving ten opzichte van de proefpersoon in alle types van deze omgeving, ongeacht het uiterlijk van de muren, de oppervlakte van de testkamer, de verplaatsing ervan en de tijd die de proefpersoon in de kamer doorbrengt.
Voor een meer gedetailleerd inzicht in de nuances van het onderzoek raad ik aan om te kijken naar en hieraan.
Epilog
In dit werk zijn de wetenschappers erin geslaagd om de theorie van de egocentrische voorstelling van de omgeving praktisch te bevestigen, wat van cruciaal belang is voor ruimtelijke oriëntatie. Ze hebben aangetoond dat er een intermediair proces is tussen de allocentrische ruimtelijke voorstelling en de feitelijke handeling, waarbij bepaalde cellen van het striatum betrokken zijn, die egocentrische grenscellen (EBC) worden genoemd. Ook werd vastgesteld dat EBC meer verband houdt met de controle van de gehele lichaamsbeweging dan alleen met het hoofd van de proefpersonen.
Dit onderzoek was gericht op het bepalen van het volledige mechanisme van ruimtelijke oriëntatie, inclusief alle componenten en variabelen. Volgens de wetenschappers zal dit werk in de toekomst helpen bij het verbeteren van navigatietechnologieën voor autonome voertuigen en robots die in staat zullen zijn om de ruimte om hen heen te begrijpen, zoals wij dat doen. De onderzoekers zijn erg blij met de resultaten van hun werk, die aanleiding geven om de relatie tussen specifieke gebieden van de hersenen en hoe navigatie in de ruimte plaatsvindt verder te onderzoeken.
Bedankt voor uw aandacht, blijf nieuwsgierig en een fijne werkweek voor iedereen, jongens! 🙂
Bedankt dat je bij ons blijft. Vind je onze artikelen leuk? Wil je meer interessante inhoud zien? Steun ons door een bestelling te plaatsen of ons aan vrienden aan te bevelen. 30% korting voor Habr-gebruikers op een unieke variant van entry-level servers, speciaal voor jou ontworpen: (opties beschikbaar met RAID1 en RAID10, tot 24 cores en tot 40GB DDR4).
Dell R730xd voor de helft van de prijs? Alleen bij ons in Nederland! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — vanaf $99! Lees over hoe
Bron: habr.com
