Beweging is leven. Deze uitdrukking kan worden geïnterpreteerd als een motivatie om vooruit te gaan, niet om stil te staan en te bereiken wat je wilt, en als een verklaring van het feit dat bijna alle levende wezens het grootste deel van hun leven in beweging zijn. Om ervoor te zorgen dat onze bewegingen en bewegingen in de ruimte niet elke keer eindigen met bultjes op ons voorhoofd en gebroken pinken op onze benen, gebruiken onze hersenen de opgeslagen "kaarten" van de omgeving die onbewust opduiken op het moment van onze beweging . Er is echter een mening dat de hersenen deze kaarten als het ware niet van buitenaf toepassen, maar door een persoon op deze kaart te plaatsen en gegevens te verzamelen vanuit de eerste persoon. Wetenschappers van de Universiteit van Boston besloten deze theorie te bewijzen door een reeks praktische experimenten uit te voeren met laboratoriumratten. Hoe navigeren de hersenen eigenlijk in de ruimte, welke cellen zijn erbij betrokken en welke rol speelt dit onderzoek voor de toekomst van zelfrijdende auto's en robots? Dat vernemen we uit het rapport van de onderzoeksgroep. Gaan.
Onderzoeksbasis
Het feit dat vele jaren geleden is vastgesteld, is dus dat het belangrijkste deel van de hersenen dat verantwoordelijk is voor oriëntatie in de ruimte de hippocampus is.
De hippocampus is betrokken bij verschillende processen: de vorming van emoties, de transformatie van kortetermijngeheugen in langetermijngeheugen en de vorming van ruimtelijk geheugen. Het is de laatste die de bron is van de "kaarten" die onze hersenen op het juiste moment oproepen voor een efficiëntere oriëntatie in de ruimte. Met andere woorden, de hippocampus slaat driedimensionale neurale modellen op van de ruimte waarin de eigenaar van de hersenen zich bevindt.
Zeepaardje
Er is een theorie die stelt dat er een tussenstap is tussen de daadwerkelijke navigatie en kaarten van de hippocampus - de transformatie van deze kaarten naar een eerstepersoonsweergave. Dat wil zeggen, een persoon probeert te begrijpen waar iets zich helemaal niet bevindt (zoals we op echte kaarten zien), maar waar iets zich ten opzichte van hem zal bevinden (zoals de "street view" -functie in Google Maps).
De auteurs van het werk dat we overwegen benadrukken het volgende: Cognitieve kaarten van de omgeving worden gecodeerd in de hippocampale formatie in het allocentrische systeem, maar motorische vaardigheden (de bewegingen zelf) worden weergegeven in het egocentrische systeem.
UFO: Enemy Unknown (allocentrisch systeem) en DOOM (egocentrisch systeem).
Het verschil tussen allocentrische en egocentrische systemen is als het verschil tussen third-person games (of zijaanzicht, bovenaanzicht, etc.) en first person games. In het eerste geval is de omgeving zelf belangrijk voor ons, in het tweede geval onze positie ten opzichte van deze omgeving. Allocentrische navigatieplannen moeten dus worden omgezet in een egocentrisch systeem voor daadwerkelijke implementatie, d.w.z. beweging in de ruimte.
Onderzoekers geloven dat het de dorsomediale is striatum (DMS)* speelt een belangrijke rol in bovenstaand proces.
Het striatum van het menselijk brein.
striatum* - deel van de hersenen dat behoort tot de basale ganglia; het striatum is betrokken bij de regulatie van spiertonus, inwendige organen en gedragsreacties; Het striatum wordt ook wel het "striatum" genoemd vanwege zijn structuur van afwisselende banden van grijze en witte stof.
De DMS demonstreert de neurale reacties die verband houden met besluitvorming en actie met betrekking tot ruimtelijke navigatie, dus dit deel van de hersenen moet in meer detail worden bestudeerd.
Onderzoeksresultaten
Om de aanwezigheid/afwezigheid van egocentrische ruimtelijke informatie in het striatum (DMS) te bepalen, werden 4 mannelijke ratten geïmplanteerd met maximaal 16 tetrodes (speciale elektroden verbonden met de gewenste delen van de hersenen) gericht op DMS (1a).
Afbeelding #1: striatale celreactie op omgevingsgrenzen in een egocentrisch referentiekader.
Uitleg voor afbeelding #1:а - locaties van tetrodes;
b - egocentrische kaart van grenzen;
с — allocentrische ruimtelijke kaarten (4 vierkanten aan de linkerkant), kleurgecodeerde trajectgrafieken van de locaties van celresponspieken ten opzichte van de lichaamspositie, en egocentrische kaarten (4 vierkanten aan de rechterkant) op basis van de respons van EBC-cellen in verschillende oriëntaties en afstanden tussen de rat en de muur;
d - een zoon 1s, maar voor EBC met voorkeursafstanden weg van het dier;
e - een zoon 1s, maar voor twee inverse EBC's;
f — verdeling van de gemiddelde resulterende lengte voor de waargenomen cellen;
g - de verdeling van de gemiddelde resulterende lengte voor EBC met behulp van de bewegingsrichting en de richting van het hoofd;
h — verdeling van de gemiddelde respons van cellen (totaal en EBC).
Vierenveertig experimenten werden uitgevoerd toen ratten willekeurig verspreid voedsel verzamelden in een voor hen bekende ruimte (open, niet in een doolhof). Als resultaat werden 44 cellen geregistreerd. Uit de verzamelde gegevens werd de aanwezigheid van 939 hoofdrichtingscellen (HDC's) vastgesteld, maar slechts een klein deel van de cellen, en meer precies 31, had allocentrische ruimtelijke correlaten. Tegelijkertijd werd de activiteit van deze cellen, beperkt door de omtrek van de omgeving, alleen waargenomen tijdens de beweging van de rat langs de wanden van de testkamer, wat een egocentrisch schema suggereert voor het coderen van de grenzen van de ruimte.
Om de mogelijkheden van zo'n egocentrische representatie te beoordelen, gebaseerd op piekcelactiviteitsindicatoren, werden egocentrische grenskaarten gemaakt (1b), die de oriëntatie en afstand van de randen illustreren ten opzichte van de richting van de beweging van de rat, en niet de positie van zijn kop (vergelijking met 1g).
18% van de gevangen cellen (171 van de 939) vertoonde een significante respons wanneer de kamergrens een bepaalde positie en oriëntatie innam ten opzichte van het onderwerp (1f). Wetenschappers noemden ze egocentrische grenscellen (EBC's). egocentrische grenscellen). Het aantal van dergelijke cellen bij de proefpersonen varieerde van 15 tot 70 met een gemiddelde van 42.75 (1c, 1d).
Onder de cellen van de egocentrische grenzen waren er die waarvan de activiteit afnam als reactie op de grenzen van de kamer. Er waren er in totaal 49 en ze werden inverse EBC's (iEBC's) genoemd. De gemiddelde index van celrespons (hun actiepotentiaal) in EBC en iEBC was vrij laag - 1,26 ± 0,09 Hz (1h).
De EBC-populatie reageert op alle oriëntaties en posities van de kamergrens ten opzichte van het onderwerp, maar de verdeling van voorkeursoriëntatie is bimodaal met pieken die zich 180° tegenover elkaar bevinden aan weerszijden van het dier (-68° en 112°), zijnde iets verschoven ten opzichte van loodrecht op de lengteas van het dier met 22° (2d).
Afbeelding #2: Voorkeursoriëntatie en afstand voor egocentrische grenscelreactie (EBC).
Uitleg voor afbeelding #2:a - egocentrische grenskaarten voor vier gelijktijdig bestudeerde EBC's met verschillende voorkeursoriëntaties aangegeven boven elke grafiek;
b - de positie van de tetrodes in overeenstemming met de cellen van 2a (de cijfers geven het tetrode-nummer aan);
с — kansverdeling van voorkeursoriëntaties voor alle EBC's van één rat;
d — kansverdeling van voorkeursoriëntaties voor EBC van alle ratten;
е - de positie van de tetrodes voor de getoonde cellen 2f;
f — egocentrische grenskaarten voor zes gelijktijdig geregistreerde EBC's met verschillende voorkeursafstanden aangegeven boven elk perceel;
g is de kansverdeling van de voorkeursafstand voor alle EBC's van één rat;
h is de kansverdeling van de voorkeursafstand voor EBC van alle ratten;
i - polaire plot van voorkeursafstand en voorkeursoriëntatie voor alle EBC's met ruimtegrootte weergegeven door kleur en puntdiameter.
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's (2f-2h) die belangrijk kunnen zijn voor een hiërarchische navigatiezoekstrategie. De grootte van de EBC-receptieve velden nam toe met de voorkeursafstand (2i), wat wijst op een toename van de nauwkeurigheid van de egocentrische weergave van grenzen naarmate de afstand tussen de muur en het onderwerp afneemt.
Er was geen duidelijke topografie in zowel de voorkeursoriëntatie als de afstand, aangezien de actieve EBC's van het onderwerp met verschillende oriëntaties en afstanden tot de muur op dezelfde tetrode verschenen (2a, 2b, 2e и 2f).
Er werd ook vastgesteld dat EBC stabiel reageert op de grenzen van de ruimte (kamerwanden) in alle testkamers. Om te bevestigen dat de EBC's reageren op de lokale grenzen van de kamer in plaats van op de distale kenmerken ervan, "draaiden" de wetenschappers de camerapositie met 45 ° en maakten verschillende muren zwart, waardoor deze anders was dan die gebruikt in eerdere tests.
Gegevens werden zowel in een conventionele testkamer als in een geroteerde kamer verzameld. Ondanks de verandering in de testkamer bleven alle voorkeursoriëntaties en afstanden ten opzichte van de wanden van de EBC-proefpersonen hetzelfde.
Gezien het belang van hoeken, werd ook de mogelijkheid overwogen dat EBC's op unieke wijze deze lokale omgevingsattributen coderen. Door het verschil tussen de respons nabij de hoeken en de respons nabij het midden van de wand te isoleren, werd een subset van EBC-cellen (n = 16; 9,4%) geïdentificeerd die een verhoogde respons op de hoeken vertonen.
We kunnen dus een tussentijdse conclusie trekken dat het de EBC-cellen zijn die perfect reageren op de omtrek van de kamer, dat wil zeggen op de wanden van de testkamer en op de hoeken.
Vervolgens testten de wetenschappers of de reactie van EBC-cellen op een open ruimte (een testarena zonder doolhof, dus slechts 4 muren) hetzelfde is voor verschillende testruimtes. Er werden drie bezoeken afgelegd, waarbij de lengte van de muren 3 cm verschilde van de vorige.
Ongeacht de grootte van de testkamer, EBC reageerde op de grenzen ervan op dezelfde afstand en oriëntatie ten opzichte van de proefpersoon. Dit geeft aan dat de respons niet schaalt met de grootte van de omgeving.
Afbeelding #3: stabiele respons van EBC-cellen op ruimtegrenzen.
Uitleg voor afbeelding #3:а — egocentrische EBC-kaarten onder normale omstandigheden (links) en wanneer de testkamer 45° was gedraaid (rechts);
b — egocentrische EBC-kaarten voor een kamer van 1.25 x 1.25 m (links) en voor een vergrote kamer van 1.75 x 1.75 m (rechts);
с - egocentrische EBC-kaarten met gewone zwarte kamermuren (links) en met muren met patronen (rechts);
d-f - grafieken van de gewenste afstand (boven) en veranderingen in de gewenste oriëntatie ten opzichte van de basislijn (onder).
Omdat het striatum informatie over de omgeving ontvangt uit verschillende delen van de visuele cortex, hebben de wetenschappers ook getest of het uiterlijk van de muren wordt beïnvloed (3s) kamers voor de reactie van EBC-cellen.
Het veranderen van het uiterlijk van de grenzen van de ruimte had geen effect op de reactie van de EBC-cellen en de afstand en oriëntatie die nodig zijn voor de reactie ten opzichte van het onderwerp.
Afbeelding #4: Stabiliteit van EBC-celrespons, ongeacht de omgeving.
Uitleg voor afbeelding #4:а — egocentrische kaarten voor EBC in bekende (links) en nieuwe (rechts) omgevingen;
b - egocentrische kaarten voor EBC verkregen in dezelfde omgeving, maar met een tijdsinterval;
с - Grafieken van voorkeursafstand (boven) en verandering van voorkeursoriëntatie ten opzichte van de basislijn (onder) voor nieuwe (onbekende) omgevingen;
d - grafieken van de voorkeursafstand (boven) en de verandering in voorkeursoriëntatie ten opzichte van de basislijn (onder) voor eerder bestudeerde (vertrouwde) omgevingen.
Er werd ook vastgesteld dat de respons van EBC-cellen, evenals de vereiste oriëntatie en afstand ten opzichte van het onderwerp, in de loop van de tijd niet veranderen.
Deze "tijdelijke" test werd echter in dezelfde testkamer uitgevoerd. Het was ook nodig om na te gaan wat het verschil is tussen de reactie van de EBC op bekende omstandigheden en op nieuwe. Om dit te doen, werden verschillende bezoeken afgelegd, waarbij de ratten de kamer bestudeerden, die ze al kennen van eerdere tests, en vervolgens nieuwe kamers met open ruimte.
Zoals je misschien al geraden hebt, bleef de respons van de EBC-cellen + gewenste oriëntatie/afstand ongewijzigd in de nieuwe kamers (4a, 4c).
De EBC-reactie geeft dus een stabiele weergave van de grenzen van de omgeving ten opzichte van de proefpersoon in alle soorten van deze omgeving, ongeacht het uiterlijk van de muren, het gebied van de testkamer, de beweging en de tijd die de proefpersoon in de kamer doorbrengt.
Voor een meer gedetailleerde kennismaking met de nuances van de studie raad ik aan om naar te kijken и naar hem.
epiloog
In dit werk slaagden wetenschappers erin om in de praktijk de theorie van de egocentrische representatie van de omgeving te bevestigen, wat buitengewoon belangrijk is voor oriëntatie in de ruimte. Ze bewezen dat er een intermediair proces bestaat tussen allocentrische ruimtelijke representatie en daadwerkelijke actie, waaraan bepaalde cellen van het striatum, egocentrische grenscellen (EBC's) genoemd, deelnemen. Er werd ook vastgesteld dat EBC's meer verband hielden met de bewegingscontrole van het hele lichaam, en niet alleen met het hoofd van de proefpersoon.
Deze studie was gericht op het bepalen van het volledige mechanisme van oriëntatie in de ruimte, al zijn componenten en variabelen. Dit werk zal volgens wetenschappers verder helpen bij het verbeteren van navigatietechnologieën voor autonome auto's en voor robots die de ruimte om hen heen kunnen begrijpen, zoals wij. De onderzoekers zijn razend enthousiast over de resultaten van hun werk, die aanleiding geven om de relatie tussen bepaalde hersengebieden en de manier waarop door de ruimte wordt genavigeerd verder te bestuderen.
Bedankt voor je aandacht, blijf nieuwsgierig en een fijne week allemaal! 🙂
Bedankt dat je bij ons bent gebleven. Vind je onze artikelen leuk? Wil je meer interessante inhoud zien? Steun ons door een bestelling te plaatsen of door vrienden aan te bevelen, 30% korting voor Habr-gebruikers op een unieke analoog van instapservers, die door ons voor u is uitgevonden: (beschikbaar met RAID1 en RAID10, tot 24 cores en tot 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 keer goedkoper? Alleen hier in Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - vanaf $99! Lees over
Bron: www.habr.com