Bevegelse er livet. Denne setningen kan tolkes både som en motivasjon til å komme videre, ikke å stå stille og oppnå det du ønsker, og som en erklæring om at nesten alle levende vesener tilbringer mesteparten av livet i bevegelse. For å sikre at våre bevegelser og bevegelser i rommet ikke ender med støt i pannen og ødelagte småtær hver gang, bruker hjernen vår lagrede «kart» over miljøet som ubevisst dukker opp i bevegelsesøyeblikket. Det er imidlertid en oppfatning at hjernen ikke bruker disse kartene fra utsiden, for å si det sånn, men ved å plassere en person på dette kartet og samle inn data fra en førstepersonsvisning. Forskere fra Boston University bestemte seg for å bevise denne teorien ved å utføre en rekke praktiske eksperimenter med laboratorierotter. Hvordan navigerer egentlig hjernen i verdensrommet, hvilke celler er involvert, og hvilken rolle spiller denne forskningen for fremtiden til autonome biler og roboter? Vi lærer om dette fra rapporten fra forskergruppen. Gå.
Grunnlaget for studien
Så, faktum etablert for mange år siden er at hoveddelen av hjernen som er ansvarlig for orientering i rommet er hippocampus.
Hippocampus er involvert i en rekke prosesser: dannelse av følelser, transformasjon av korttidshukommelse til langtidshukommelse og dannelse av romlig hukommelse. Det er sistnevnte som er kilden til de «kartene» som hjernen vår kaller opp i rett øyeblikk for mer effektiv orientering i rommet. Hippocampus lagrer med andre ord tredimensjonale nevrale modeller av rommet der eieren av hjernen befinner seg.
Hippocampus
Det er en teori som sier at mellom faktisk navigasjon og kart fra hippocampus er det et mellomtrinn – å konvertere disse kartene til en førstepersonsvisning. Det vil si at en person prøver å forstå hvor noe befinner seg, ikke generelt (som vi ser på ekte kart), men hvor noe vil være plassert i forhold til ham selv (som "gatevisning"-funksjonen i Google Maps).
Forfatterne av arbeidet vi vurderer legger vekt på følgende: Kognitive kart over miljøet er kodet inn i hippocampusformasjonen i det allosentriske systemet, men motoriske ferdigheter (selve bevegelsene) er representert i det egosentriske systemet.
UFO: Enemy Unknown (allosentrisk system) og DOOM (egosentrisk system).
Forskjellen mellom allosentriske og egosentriske systemer er lik forskjellen mellom spill fra en tredjepersons visning (eller sidevisning, ovenfra, etc.) og spill fra en førstepersonsvisning. I det første tilfellet er miljøet i seg selv viktig for oss, i det andre er vår posisjon i forhold til dette miljøet. Dermed må allosentriske navigasjonsplaner omgjøres til et egosentrisk system for faktisk gjennomføring, d.v.s. bevegelse i rommet.
Forskere tror at det er den dorsomediale striatum (DMS)* spiller en viktig rolle i prosessen ovenfor.
Den menneskelige hjernes striatum.
Striatum* - en del av hjernen som tilhører basalgangliene; striatum er involvert i reguleringen av muskeltonus, indre organer og atferdsreaksjoner; Striatum kalles også "striatum" på grunn av strukturen av vekslende bånd av grå og hvit substans.
DMS demonstrerer nevrale responser knyttet til å ta beslutninger og utføre handlinger angående navigering i rommet, så denne regionen av hjernen bør studeres mer detaljert.
Forskningsresultater
For å bestemme tilstedeværelse/fravær av egosentrisk romlig informasjon i striatum (DMS), ble 4 hannrotter implantert med opptil 16 tetroder (spesielle elektroder koblet til de ønskede områdene av hjernen) rettet mot DMS (1a).
Bilde #1: Striatale cellers respons på miljøgrenser i en egosentrisk referanseramme.
Forklaringer til bilde nr. 1:а — tetrode plasseringspunkter;
b — egosentrisk grensekart;
с — allosentriske romlige kart (4 ruter til venstre), fargekodede baneplott av plasseringene til celleresponstopper i forhold til kroppsposisjon, og egosentriske kart (4 ruter til høyre) basert på responsen til EBC-celler i ulike orienteringer og avstander mellom rotten og veggen;
d - som i 1s, men for EBC med foretrukne avstander fra dyret;
e - som i 1s, men for to inverse EBC-er;
f — fordeling av den gjennomsnittlige resulterende lengden for de observerte cellene;
g - fordeling av gjennomsnittlig resulterende lengde for EBC ved bruk av bevegelsesretning og hoderetning;
h - fordeling av den gjennomsnittlige responsen til celler (alle og EBC).
Det ble utført 44 eksperimenter der rotter samlet tilfeldig spredt mat i et kjent rom (åpent, ikke i en labyrint). Som et resultat ble 939 celler registrert. Fra de innsamlede dataene ble 31 hoderetningsceller (HDCs) identifisert, men bare en liten brøkdel av cellene, 19 for å være nøyaktig, hadde allosentriske romlige korrelater. Dessuten ble aktiviteten til disse cellene, begrenset av omkretsen av miljøet, kun observert under bevegelsen av rotten langs veggene i testkammeret, noe som antyder et egosentrisk opplegg for koding av rommets grenser.
For å vurdere mulighetene for en slik egosentrisk representasjon basert på topp celleaktivitet, ble det laget egosentriske grensekart (1b), som illustrerer retningen og avstanden til grensene i forhold til retningen til rottens bevegelse, snarere enn posisjonen til hodet (sammenligning med 1g).
18 % av de registrerte cellene (171 av 939) viste en signifikant respons når grensen til kammeret okkuperte en viss posisjon og orientering i forhold til den eksperimentelle (1f). Forskere kaller dem egosentriske grenseceller (EBC). egosentriske grenseceller). Antall slike celler i forsøkspersoner varierte fra 15 til 70 med et gjennomsnitt på 42.75 (1c, 1d).
Blant cellene til egosentriske grenser var det de hvis aktivitet avtok som respons på kammerets grenser. Det var 49 av dem totalt, og de ble kalt inverse EBCs (iEBCs). Gjennomsnittlig cellerespons (deres aksjonspotensial) i EBC og iEBC var ganske lav - 1,26 ± 0,09 Hz (1h).
EBC-cellepopulasjonen reagerer på alle orienteringer og posisjoner av kammergrensen i forhold til testpersonen, men fordelingen av foretrukket orientering er bimodal med topper plassert 180° overfor hverandre på hver side av dyret (-68° og 112°) , som er litt forskjøvet fra vinkelrett på langaksen til dyret med 22° (2d).
Bilde #2: Foretrukket orientering og avstand for respons av egosentriske grenseceller (EBC).
Forklaringer til bilde nr. 2:a — egosentriske grensekart for fire samtidig undersøkte EBC-er med forskjellige foretrukne orienteringer angitt over hver graf;
b - plassering av tetroder i samsvar med cellene fra 2a (tall indikerer tetrodenummer);
с — sannsynlighetsfordeling av foretrukne orienteringer for alle EBC-er til én rotte;
d — sannsynlighetsfordeling av foretrukne orienteringer for EBC for alle rotter;
е — tetrodeposisjoner for cellene vist i 2f;
f - egosentriske grensekart for seks samtidig registrerte EBC-er med forskjellige foretrukne avstander angitt over hver graf;
g — sannsynlighetsfordeling av foretrukket avstand for alle EBC-er til én rotte;
h — sannsynlighetsfordeling av foretrukket avstand for EBC for alle rotter;
i er et polart plott med foretrukket avstand og foretrukket orientering for alle EBC-er, med størrelsen på rommet representert av fargen og diameteren til prikkene.
Fordelingen av foretrukket avstand til grensen inneholdt tre topper: 6.4, 13.5 og 25.6 cm, noe som indikerer tilstedeværelsen av tre forskjellige foretrukne avstander mellom EBC-er (2f-2h), som kan være viktig for en hierarkisk navigasjonssøkestrategi. Størrelsen på EBC-mottakelige felt økte som en funksjon av foretrukket avstand (2i), som indikerer at nøyaktigheten til den egosentriske representasjonen av grenser øker med avtagende avstand mellom veggen og forsøksobjektet.
Både foretrukket orientering og avstand manglet en klar topografi, da forsøkspersonens aktive EBC-er med forskjellige orienteringer og avstander i forhold til veggen dukket opp på samme tetrode (2a, 2b, 2e и 2f).
Det ble også funnet at EBC-er konsekvent reagerer på rommets grenser (kammervegger) i alle versjoner av testkamrene. For å bekrefte at EBC-er reagerer på de lokale grensene til kammeret i stedet for dets distale funksjoner, "roterte" forskerne kameraets posisjon med 45° og gjorde flere vegger svarte, noe som gjorde det annerledes enn det som ble brukt i tidligere tester.
Data ble samlet inn både i det normale testkammeret og i det roterte. Til tross for endringen i testkammeret, forble alle foretrukne orienteringer og avstander i forhold til veggene til EBC-testpersonene de samme.
Gitt viktigheten av vinkler, ble muligheten for at EBC-er unikt koder for disse lokale miljøattributtene også vurdert. Ved å isolere forskjellen mellom responsen nær hjørner og responsen nær midten av veggen, identifiserte vi en undergruppe av EBC-celler (n = 16; 9,4%) som viser økt respons på hjørner.
Dermed kan vi trekke en mellomkonklusjon om at det er EBC-celler som reagerer godt på omkretsen av kammeret, det vil si til veggene i testkammeret og til dets hjørner.
Deretter testet forskerne om responsen til EBC-celler på åpen plass (en testarena uten en labyrint, dvs. bare 4 vegger) er den samme for forskjellige versjoner av testromsområdet. Det ble utført 3 løp, hvor lengden på veggene skilte seg fra de forrige med 50 cm.
Uavhengig av størrelsen på testkammeret, reagerte EBC på grensene i samme avstand og orientering i forhold til testpersonen. Dette indikerer at responsen ikke skalerer med miljøstørrelse.
Bilde #3: Stabil respons av EBC-celler til romlige grenser.
Forklaringer til bilde nr. 3:а — egosentriske EBC-kart under normale forhold (venstre) og når testkammeret ble rotert 45° (høyre);
b — egosentriske EBC-kart for et kamera som måler 1.25 x 1.25 m (venstre) og for et forstørret kamera 1.75 x 1.75 m (høyre);
с — egosentriske EBC-kart med vanlige svarte kammervegger (venstre) og med mønstrede vegger (høyre);
d-f — grafer over foretrukket avstand (øverst) og endringer i foretrukket orientering i forhold til grunnlinjen (nederst).
Fordi striatum mottar informasjon om miljøet fra flere områder av hjernens visuelle cortex, testet forskerne også om utseendet til vegger påvirker (3s) kamre på responsen til EBC-celler.
Endring av utseendet til romgrensene hadde ingen effekt på reaksjonen til EBC-celler eller på avstanden og orienteringen som kreves for reaksjonen i forhold til forsøkspersonen.
Bilde #4: Konsistens av EBC-cellerespons uavhengig av miljø.
Forklaringer til bilde nr. 4:а — egosentriske kart for EBC i kjente (venstre) og nye (høyre) miljøer;
b — egosentriske kart for EBC, oppnådd i samme miljø, men med et tidsintervall;
с — grafer over foretrukket avstand (øverst) og endringer i foretrukket orientering i forhold til grunnlinjen (nederst) for nye (ukjente) miljøer;
d — grafer over foretrukket avstand (øverst) og endringer i foretrukket orientering i forhold til grunnlinjen (nederst) for tidligere studerte (kjente) miljøer.
Det ble også funnet at responsen til EBC-celler, så vel som nødvendig orientering og avstand i forhold til forsøkspersonen, ikke endres over tid.
Imidlertid ble denne "tidsbestemte" testen utført i samme testkammer. Det var også nødvendig å sjekke hvilken forskjell det var mellom EBC-responsen på kjente forhold og på nye. For å gjøre dette ble det gjennomført flere løp da rottene studerte et kammer som de allerede kjente fra tidligere tester, og deretter nye kammer med åpen plass.
Som du kanskje har gjettet, forble EBC-celleresponsen + ønsket orientering/avstand uendret i de nye kamrene (4a, 4c).
Dermed gir EBC-responsen en stabil representasjon av miljøets grenser i forhold til testpersonen i alle typer det miljøet, uavhengig av utseendet til veggene, området til testkammeret, dets bevegelse og tiden emnet tilbrakt i kammeret.
For en mer detaljert forståelse av nyansene i studien anbefaler jeg å ta en titt på и til ham.
Epilog
I dette arbeidet kunne forskere i praksis bekrefte teorien om en egosentrisk representasjon av miljøet, som er ekstremt viktig for orientering i rommet. De viste at mellom allosentrisk romlig representasjon og faktisk handling er det en mellomprosess som involverer visse celler i striatum, kalt egosentriske grenseceller (EBC). Det ble også funnet at EBC var mer relatert til å kontrollere bevegelsen av hele kroppen, og ikke bare hodet til testpersonene.
Denne studien hadde som mål å bestemme den komplette mekanismen for orientering i rommet, alle dets komponenter og variabler. Dette arbeidet, ifølge forskere, vil ytterligere bidra til å forbedre navigasjonsteknologier for autonome biler og for roboter som vil være i stand til å forstå rommet rundt dem, akkurat som vi gjør. Forskerne er svært fornøyde med resultatene av arbeidet deres, som gir grunn til å fortsette å studere forholdet mellom enkelte områder av hjernen og hvordan navigering i rommet foregår.
Takk for at du leser, vær nysgjerrig og ha en flott uke folkens! 🙂
Takk for at du bor hos oss. Liker du artiklene våre? Vil du se mer interessant innhold? Støtt oss ved å legge inn en bestilling eller anbefale til venner, 30 % rabatt for Habr-brukere på en unik analog av inngangsnivåservere, som ble oppfunnet av oss for deg: (tilgjengelig med RAID1 og RAID10, opptil 24 kjerner og opptil 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 ganger billigere? Bare her i Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra $99! Lese om
Kilde: www.habr.com