Ruch to życie. Tę frazę można interpretować zarówno jako motywację do działania, do nieustannego posuwania się naprzód i osiągania celów, jak i jako stwierdzenie faktu, że praktycznie wszystkie istoty żywe przez większość życia są w ruchu. Aby nasze ruchy i przemieszczenia w przestrzeni nie kończyły się za każdym razem guzkami na czole i złamanymi palcami u nóg, nasz mózg korzysta z zapisanych „map” otoczenia, które nieświadomie pojawiają się w trakcie naszego ruchu. Istnieje jednak opinia, że mózg stosuje te mapy nie z zewnątrz, ale umieszczając człowieka na tej mapie i zbierając dane z perspektywy pierwszej osoby. Udowodnić tę teorię postanowili naukowcy z Uniwersytetu Bostońskiego, przeprowadzając szereg praktycznych eksperymentów z laboratoryjnymi szczurami. Jak więc naprawdę mózg orientuje się w przestrzeni, jakie komórki są w tym zaangażowane i jaką rolę to badanie odegra dla przyszłych autonomicznych samochodów i robotów? O tym dowiemy się z raportu grupy badawczej. Zaczynajmy.
Podstawa badania
Zatem, ustalony wiele lat temu fakt polega na tym, że główną częścią mózgu odpowiedzialną za orientację w przestrzeni jest hipokamp.
Hipokamp uczestniczy w bardzo różnych procesach: formowanie emocji, przekształcanie pamięci krótkoterminowej w długoterminową oraz formowanie pamięci przestrzennej. To właśnie ostatnia z nich jest źródłem tych „map”, które nasz mózg przywołuje w odpowiednim momencie, aby skuteczniej orientować się w przestrzeni. Innymi słowy, w hipokampie przechowywane są trójwymiarowe modele neuronowe przestrzeni, w której znajduje się właściciel mózgu.
Hipokamp
Istnieje teoria, która sugeruje, że między faktyczną nawigacją a mapami z hipokampa istnieje etap pośredni — przekształcenie tych map w widok z perspektywy pierwszej osoby. To znaczy, że człowiek stara się zrozumieć, gdzie znajduje się co nie ogólnie (jak widzimy na rzeczywistych mapach), ale gdzie coś będzie się znajdować w odniesieniu do niego samego (jak funkcja „widok ulicy” w Google Maps).
Autorzy omawianego przez nas dzieła podkreślają, że: Kognitywne mapy otoczenia są kodowane w strukturze hipokampa w systemie allocentrycznym, natomiast motoryka (same ruchy) reprezentowana jest w systemie egocentrycznym.
UFO: Enemy Unknown (system allocentryczny) oraz DOOM (system egocentryczny).
Różnica między systemami allocentrycznym a egocentrycznym przypomina różnicę między grami z perspektywy trzeciej osoby (lub z boku, z góry itp.) a grami z perspektywy pierwszej osoby. W pierwszym przypadku istotne jest dla nas samo otoczenie, w drugim — nasza pozycja względem tego otoczenia. W związku z tym, allocentryczne plany nawigacyjne muszą zostać przekształcone w system egocentryczny do faktycznej realizacji, tzn. poruszania się w przestrzeni.
Badacze uważają, że to właśnie jądro półleżące (DMS)* odgrywa kluczową rolę w opisanym powyżej procesie. Pasmo istoty białej w mózgu człowieka.
Jądro półleżące*
to część mózgu, która należy do jąder podstawnych; jądra półleżące uczestniczą w regulacji tonusu mięśniowego, organów wewnętrznych oraz reakcji behawioralnych; jądro półleżące nazywane jest również „pasmem” ze względu na swoją strukturę z naprzemiennie ułożonymi pasmami materii szarej i białej. DMS wykazuje odpowiedzi neuronowe związane z podejmowaniem decyzji i wykonywaniem działań dotyczących nawigacji w przestrzeni, dlatego ten obszar mózgu powinien być dokładniej zbadany.
Aby określić obecność/brak informacji przestrzennej w systemie egocentrycznym w jądrze półleżącym (DMS), czterem samcom szczurów zaimplantowano do 16 tetrodów (specjalnych elektrod podłączanych do odpowiednich obszarów mózgu), skierowanych na DMS (
Wyniki badania
Rysunek nr 1: reakcja komórek jądra półleżącego na granice otoczenia w egocentrycznym układzie odniesienia.1a).
Objaśnienia do rysunku nr 1:
- punkty lokalizacji tetrodów;więcej niż - egocentryczna mapa granic;
b - allocentryczne mapy przestrzenne (4 kwadraty po lewej), wykresy trajektorii z kodowaniem kolorami lokalizacji szczytów reakcji komórek w odniesieniu do pozycji ciała oraz egocentryczne mapy (4 kwadraty po prawej) oparte na reakcjach komórek EBC przy różnych orientacjach i odległości między szczurem a ścianą;
z - tak jak na
d , ale dla EBC z preferowanymi odległościami, oddalonymi od zwierzęcia; 1c, ale dla EBC z preferowanych odległości, oddalonych od zwierzęcia;
e , ale dla EBC z preferowanymi odległościami, oddalonymi od zwierzęcia; 1c, ale dla dwóch odwrotnych EBC;
f — rozkład średniej rezultującej długości dla obserwowanych komórek;
g — rozkład średniej rezultującej długości dla EBC z uwzględnieniem kierunku ruchu i kierunku głowy;
h — rozkład średniej reakcji komórek (wszystkich i EBC).
Przeprowadzono 44 eksperymenty, w których szczury zbierały losowo rozsianą żywność w znanym im otoczeniu (otwartym, nie w labiryncie). W rezultacie zarejestrowano 939 komórek. Z zebranych danych ustalono obecność 31 komórek kierunku głowy (HDC), jednak tylko niewielka część komórek, a mianowicie 19, miała allocentryczne korelaty przestrzenne. Aktywność tych komórek, ograniczona do obszaru otoczenia, obserwowano jedynie podczas poruszania się szczura wzdłuż ścian testowej komory, co sugeruje egocentryczną schematykę kodowania granic przestrzeni.
Aby ocenić możliwości takiego egocentrycznego przedstawienia na podstawie szczytowych wskaźników aktywności komórek, stworzono egocentryczne mapy granic (1b), które ilustrują orientację i odległość granic względem kierunku ruchu szczura, a nie położenia jego głowy (porównanie na 1g).
18% z zarejestrowanych komórek (171 z 939) wykazywało znaczącą reakcję, gdy granica komory zajmowała określone położenie i orientację względem poddanego (1f). Naukowcy nazwali je komórkami egocentrycznych granic (EBC — egocentric boundary cells). Liczba takich komórek u poddanych wynosiła od 15 do 70 z średnim wynikiem 42.75 (1c, 1d).
Wśród komórek egocentrycznych granic były takie, których aktywność zmniejszała się w odpowiedzi na granice komory. Łącznie było ich 49 i nazwano je odwrotnymi EBC (iEBC). Średni wskaźnik reakcji komórek (ich potencjału działania) u EBC i iEBC był dość niski — 1,26 ± 0,09 Hz (1h).
Populacja komórek EBC reaguje na wszystkie warianty orientacji i położenia granicy komory względem poddanego, ale rozkład preferowanej orientacji jest bimodalny z szczytami położonymi w odległości 180° naprzeciw siebie po obu stronach zwierzęcia (-68° i 112°), będąc nieco przesuniętym od prostopadłej do długiej osi zwierzęcia o 22° (2d).
Obraz №2: preferowana orientacja i odległość dla reakcji komórek egocentrycznych granic (EBC).
Wyjaśnienia do obrazu nr 2:a — egocentryczne mapy granic dla czterech jednocześnie badanych EBC z różnymi preferowanymi orientacjami, wskazanymi nad każdym wykresem;
b — położenie tetród w odniesieniu do komórek z 2a (numer oznacza numer tetródu);
z — rozkład prawdopodobieństw preferowanych orientacji dla wszystkich EBC jednej myszy;
d — rozkład prawdopodobieństw preferowanych orientacji dla EBC wszystkich myszy;
e — położenie tetród dla komórek pokazanych na 2f;
f — egocentryczne mapy granic dla sześciu jednocześnie zarejestrowanych EBC z różnymi preferowanymi odległościami, wskazanymi nad każdym wykresem;
g — rozkład prawdopodobieństw preferowanej odległości dla wszystkich EBC jednej myszy;
h — rozkład prawdopodobieństw preferowanej odległości dla EBC wszystkich myszy;
i — wykres polarny preferowanej odległości i preferowanej orientacji dla wszystkich EBC, z rozmiarem przestrzeni przedstawionym kolorem i średnicą punktów.
Rozkład preferowanej odległości do granicy zawierał trzy szczyty: 6.4, 13.5 i 25.6 cm, co wskazuje na obecność trzech różnych preferowanych odległości między EBC (2f—2h), które mogą być istotne dla strategii hierarchicznego wyszukiwania nawigacyjnego. Rozmiar pól recepcyjnych EBC zwiększał się w zależności od preferowanej odległości (2i), co wskazuje na wzrost dokładności egocentrycznego przedstawienia granic przy zmniejszeniu odległości między ścianą a podmiotem.
Zarówno w preferowanej orientacji, jak i w odległości brakowało wyraźnej topografii, ponieważ aktywne EBC podmiotu z różnymi orientacjami i odległością względem ściany pojawiały się na tym samym tetródzie (2a, 2b, 2e i 2f).
Okazało się również, że EBC stabilnie reagują na granice przestrzeni (ściany pomieszczenia) w każdej wersji testowych pomieszczeń. Aby potwierdzić, że EBC reagują na lokalne granice pomieszczenia, a nie na jego cechy dystansowe, naukowcy "obrócili" położenie pomieszczenia o 45° i zrobili kilka ścian czarnymi, czyniąc je innymi niż te użyte w poprzednich testach.
Zebrano dane zarówno w zwykłej komorze testowej, jak i w obróconej. Mimo zmiany komory testowej, wszystkie preferencyjne orientacje i odległości względem ścian dla komórek EBC pozostały niezmienne.
Biorąc pod uwagę znaczenie kątów, rozważono również możliwość, że EBC unikalnie kodują te lokalne atrybuty środowiskowe. Poprzez wyodrębnienie różnicy między reakcją w pobliżu kątów a reakcją w pobliżu środka ściany, wydzielono podzbiór komórek EBC (n = 16; 9,4%), które wykazują zwiększoną reakcję na kąty.
Z tego można wyciągnąć pośredni wniosek, że to właśnie komórki EBC doskonale reagują na obwód komory, a więc na ściany komory testowej i jej kąty.
Następnie naukowcy sprawdzili, czy reakcja komórek EBC na otwartą przestrzeń (arena testowa bez labiryntu, czyli po prostu 4 ściany) jest taka sama przy różnych wariantach powierzchni testowego pomieszczenia. Przeprowadzono 3 podejścia, w każdym z nich długość ścian różniła się od poprzednich o 50 cm.
Niezależnie od rozmiarów komory testowej, EBC reagowały na jej granice na tej samej odległości i orientacji względem obiektu. To wskazuje na brak skalowania reakcji w zależności od rozmiaru otoczenia.
Obraz nr 3: stabilna reakcja komórek EBC na granice przestrzeni.
Objaśnienia do obrazu nr 3:więcej niż — egocentryczne mapy EBC w normalnych warunkach (z lewej) i po obróceniu komory testowej o 45° (z prawej);
b — egocentryczne mapy EBC dla komory o wymiarach 1,25 x 1,25 m (z lewej) i dla powiększonej komory 1,75 x 1,75 m (z prawej);
z — egocentryczne mapy EBC przy zwykłych czarnych ścianach komory (z lewej) i przy wzorzystych ścianach (z prawej);
d—f — wykresy preferowanej odległości (na górze) i zmiany preferowanej orientacji w stosunku do linii bazowej (na dole).
Ponieważ pasmo prążkowane otrzymuje informacje o otoczeniu z kilku obszarów kory wzrokowej mózgu, naukowcy sprawdzili również, czy wygląd ścian (3s) komory wpływa na reakcję komórek EBC.
Zmiana wyglądu granic przestrzeni nie miała żadnego wpływu na reakcję komórek EBC oraz na wymaganą odległość i orientację w stosunku do obiektu.
Obraz nr 4: stabilność reakcji komórek EBC niezależnie od otoczenia.
Objaśnienia do obrazu nr 4:więcej niż — ego-centryczne mapy dla EBC w znanym (po lewej) i nowym (po prawej) środowisku;
b — ego-centryczne mapy dla EBC uzyskane w tym samym środowisku, ale w różnych przedziałach czasowych;
z — wykresy preferowanej odległości (na górze) oraz zmiany preferowanej orientacji względem linii podstawowej (na dole) dla nowych (nieznanych) środowisk;
d — wykresy preferowanej odległości (na górze) oraz zmiany preferowanej orientacji względem linii podstawowej (na dole) dla wcześniej badanych (znanych) środowisk.
Wykazano również, że reakcja komórek EBC, podobnie jak wymagana do tego orientacja i odległość względem zwierzęcia badawczego, nie zmienia się w czasie.
Jednak ten "czasowy" test przeprowadzono w tej samej komorze testowej. Należało także sprawdzić, jaka jest różnica w reakcji EBC na znane warunki i na nowe. W tym celu przeprowadzono kilka podejść, kiedy szczury badały komorę, którą już znają z poprzednich testów, a następnie nowe komory z otwartą przestrzenią.
Jak już zapewne się domyślasz, reakcja komórek EBC + wymagana orientacja/odległość pozostały niezmiennie w nowych komorach (4a, 4c).
Tak więc reakcja EBC zapewnia stabilne przedstawienie granic otoczenia względem zwierzęcia badawczego we wszystkich typach tego środowiska, niezależnie od wyglądu ścian, powierzchni komory testowej, jej ruchu oraz czasu spędzonego przez zwierzę w komorze.
Aby dokładniej zapoznać się z niuansami badania, polecam zajrzeć do i do niego.
Epilog
W niniejszej pracy naukowcom udało się praktycznie potwierdzić teorię ego-centrycznego przedstawienia otoczenia, co jest niezwykle istotne dla orientacji w przestrzeni. Udowodnili, że pomiędzy allo-centrycznym przedstawieniem przestrzennym a rzeczywistym działaniem istnieje proces pośredni, w który zaangażowane są określone komórki ciała prążkowanego, zwane komórkami ego-centrycznych granic (EBC). Ustalono również, że EBC są bardziej związane z kontrolą ruchu całego ciała, a nie tylko głowy zwierząt badawczych.
Badanie to miało na celu określenie pełnego mechanizmu orientacji w przestrzeni, wszystkich jego składników i zmiennych. Zdaniem naukowców, praca ta w przyszłości pomoże udoskonalić technologie nawigacji dla autonomicznych samochodów oraz robotów, które będą w stanie rozumieć przestrzeń wokół nich, tak jak my to robimy. Badacze są niezwykle zadowoleni z wyników swojej pracy, które dają podstawy do dalszego badania związku między określonymi obszarami mózgu a tym, jak odbywa się nawigacja w przestrzeni.
Dziękuję za uwagę, pozostawajcie ciekawi i życzę wszystkim udanego tygodnia roboczego, chłopaki! 🙂
Dziękujemy, że z nami jesteś. Czy podobają Ci się nasze artykuły? Chcesz widzieć więcej interesujących materiałów? Wspieraj nas składając zamówienie lub polecając znajomym, 30% zniżki dla użytkowników Habr na unikalny odpowiednik serwerów entry-level, który został stworzony przez nas dla Ciebie: (dostępne opcje z RAID1 i RAID10, do 24 rdzeni i do 40GB DDR4).
Dell R730xd dwa razy tańszy? Tylko u nas w Holandii! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — od 99 dolarów! Czytaj o tym
Źródło: habr.com
