Ruch to życie. To zdanie można interpretować zarówno jako motywację do pójścia naprzód, nie stania w miejscu i osiągania tego, czego się chce, jak i jako stwierdzenie faktu, że prawie wszystkie żywe istoty są w ruchu przez większość swojego życia. Aby nasze ruchy i ruchy w przestrzeni nie kończyły się za każdym razem guzami na czole i połamanymi paluszkami na nogach, nasz mózg wykorzystuje zapisane „mapy” otoczenia, które nieświadomie wyskakują w momencie naszego ruchu . Istnieje jednak opinia, że mózg nie stosuje tych kart z zewnątrz, że tak powiem, ale umieszczając osobę na tej karcie i zbierając dane, gdy patrzy się z pierwszej osoby. Naukowcy z Boston University postanowili udowodnić tę teorię, przeprowadzając serię praktycznych eksperymentów na szczurach laboratoryjnych. W jaki sposób mózg faktycznie porusza się w przestrzeni, które komórki są w to zaangażowane i jaką rolę odgrywają te badania dla przyszłości autonomicznych samochodów i robotów? Dowiadujemy się o tym z raportu grupy badawczej. Iść.
Baza badawcza
Tak więc fakt ustalony wiele lat temu jest taki, że główną częścią mózgu odpowiedzialną za orientację w przestrzeni jest hipokamp.
Hipokamp bierze udział w różnych procesach: tworzeniu emocji, przekształcaniu pamięci krótkotrwałej w pamięć długotrwałą, tworzeniu pamięci przestrzennej. To właśnie ta ostatnia jest źródłem właśnie tych „map”, które nasz mózg przywołuje w odpowiednim momencie w celu sprawniejszej orientacji w przestrzeni. Innymi słowy, hipokamp przechowuje trójwymiarowe neuronowe modele przestrzeni, w której znajduje się właściciel mózgu.
Hipokamp
Istnieje teoria głosząca, że pomiędzy rzeczywistą nawigacją a mapami z hipokampu jest etap pośredni – przekształcenie tych map w widok pierwszoosobowy. Oznacza to, że osoba próbuje zrozumieć, gdzie coś się nie znajduje (jak widzimy na prawdziwych mapach), ale gdzie coś będzie zlokalizowane względem niego (jak funkcja „widok ulicy” w Mapach Google).
Autorzy rozważanej przez nas pracy podkreślają, że mapy poznawcze środowiska są zakodowane w formacji hipokampa w systemie allocentrycznym, natomiast zdolności motoryczne (same ruchy) są reprezentowane w systemie egocentrycznym.
UFO: Wróg nieznany (system allocentryczny) i DOOM (system egocentryczny).
Różnica między systemami allocentrycznymi i egocentrycznymi jest jak różnica między grami z perspektywy trzeciej osoby (lub widokiem z boku, z góry itp.) a grami z perspektywy pierwszej osoby. W pierwszym przypadku ważne jest dla nas samo otoczenie, w drugim nasza pozycja w stosunku do tego otoczenia. Zatem allocentryczne plany nawigacyjne muszą zostać przekształcone w system egocentryczny do rzeczywistej realizacji, tj. ruch w przestrzeni.
Naukowcy uważają, że jest to grzbietowo-przyśrodkowy prążkowie (DMS)* odgrywa ważną rolę w powyższym procesie.
Prążkowie ludzkiego mózgu.
prążkowie* - część mózgu należąca do zwojów podstawy mózgu; prążkowie bierze udział w regulacji napięcia mięśniowego, narządów wewnętrznych i reakcji behawioralnych; Prążkowie jest również nazywane „prążkowiem” ze względu na swoją strukturę naprzemiennych pasm istoty szarej i białej.
DMS demonstruje reakcje neuronalne związane z podejmowaniem decyzji i działaniami związanymi z nawigacją przestrzenną, więc ten obszar mózgu powinien zostać zbadany bardziej szczegółowo.
Wyniki badania
W celu określenia obecności/nieobecności egocentrycznej informacji przestrzennej w prążkowiu (DMS), 4 samcom szczurów wszczepiono do 16 tetrod (specjalnych elektrod podłączonych do pożądanych obszarów mózgu) celujących w DMS (1a).
Obraz #1: Odpowiedź komórek prążkowia na granice środowiskowe w egocentrycznym układzie odniesienia.
Wyjaśnienia do obrazu nr 1:а - punkty lokalizacji tetrod;
b - egocentryczna mapa granic;
с — allocentryczne mapy przestrzenne (4 kwadraty po lewej), kolorowe wykresy trajektorii lokalizacji pików odpowiedzi komórkowej w stosunku do pozycji ciała oraz mapy egocentryczne (4 kwadraty po prawej) oparte na odpowiedzi komórek EBC w różnych orientacjach i odległościach między szczur i ściana;
d - syn 1s, ale dla EBC z preferowanymi odległościami od zwierzęcia;
e - syn 1s, ale dla dwóch odwrotnych EBC;
f — rozkład średniej długości wynikowej dla obserwowanych komórek;
g - rozkład średniej długości wynikowej dla EBC na podstawie kierunku ruchu i kierunku głowy;
h — rozkład średniej odpowiedzi komórek (całkowitej i EBC).
Przeprowadzono czterdzieści cztery eksperymenty, podczas których szczury zbierały losowo rozrzucone jedzenie w znanej im przestrzeni (otwartej, nie w labiryncie). W rezultacie zarejestrowano 44 komórek. Na podstawie zebranych danych ustalono obecność 939 komórek kierunku głowy (HDC), jednak tylko niewielka część komórek, a dokładniej 31, miało allocentryczne korelaty przestrzenne. Jednocześnie aktywność tych komórek, ograniczoną obwodem otoczenia, zaobserwowano jedynie podczas ruchu szczura wzdłuż ścian komory badawczej, co sugeruje egocentryczny schemat kodowania granic przestrzeni.
Aby ocenić możliwości takiej egocentrycznej reprezentacji, w oparciu o szczytowe wskaźniki aktywności komórek, stworzono egocentryczne mapy granic (1b), które ilustrują orientację i odległość granic względem kierunku ruchu szczura, a nie położenie jego głowy (porównanie do 1g).
18% przechwyconych komórek (171 z 939) wykazało znaczącą odpowiedź, gdy granica komory zajmowała określoną pozycję i orientację względem podmiotu (1f). Naukowcy nazwali je egocentrycznymi komórkami granicznymi (EBC). egocentryczne komórki graniczne). Liczba takich komórek u osób eksperymentalnych wahała się od 15 do 70, przy średniej 42.75 (1c, 1d).
Wśród komórek granic egocentrycznych były takie, których aktywność spadała w odpowiedzi na granice komory. W sumie było ich 49 i nazwano je odwrotnymi EBC (iEBC). Średni wskaźnik odpowiedzi komórek (ich potencjał czynnościowy) w EBC i iEBC był dość niski - 1,26 ± 0,09 Hz (1h).
Populacja komórek EBC reaguje na wszystkie orientacje i pozycje granicy komory w stosunku do osobnika, ale rozkład preferowanej orientacji jest bimodalny z pikami położonymi 180° naprzeciw siebie po obu stronach zwierzęcia (-68° i 112°), być nieznacznie przesunięty od prostopadłej do długiej osi zwierzęcia o 22° (2d).
Obraz #2: Preferowana orientacja i odstępy dla odpowiedzi egocentrycznej komórki granicznej (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 tetrod zgodnie z komórkami z 2a (liczby oznaczają liczbę tetrody);
с — rozkład prawdopodobieństwa preferowanych orientacji dla wszystkich EBC jednego szczura;
d — rozkład prawdopodobieństwa preferowanych orientacji dla EBC wszystkich szczurów;
е - położenie tetrod dla komórek pokazanych na rysunku 2f;
f — egocentryczne mapy granic dla sześciu jednocześnie zarejestrowanych EBC z różnymi preferowanymi odległościami wskazanymi nad każdym wykresem;
g jest rozkładem prawdopodobieństwa preferowanej odległości dla wszystkich EBC jednego szczura;
h jest rozkładem prawdopodobieństwa preferowanej odległości dla EBC wszystkich szczurów;
i - wykres biegunowy preferowanej odległości i preferowanej orientacji dla wszystkich EBC z rozmiarem przestrzeni reprezentowanym przez kolor i średnicę kropki.
Rozkład preferowanej odległości do granicy zawierał trzy piki: 6.4, 13.5 i 25.6 cm, wskazujące na obecność trzech różnych preferowanych odległości między EBC (2f-2h), które mogą być ważne dla hierarchicznej strategii wyszukiwania nawigacyjnego. Rozmiar pól receptywnych EBC wzrastał wraz z preferowaną odległością (2i), wskazując na wzrost dokładności egocentrycznego odwzorowania granic w miarę zmniejszania się odległości między ścianą a badanym.
Nie było wyraźnej topografii zarówno w preferowanej orientacji, jak i odległości, ponieważ aktywne EBC podmiotu o różnych orientacjach i odległościach od ściany pojawiły się na tej samej tetrodzie (2a, 2b, 2e и 2f).
Stwierdzono również, że EBC stabilnie reaguje na granice przestrzeni (ściany komór) w dowolnych komorach badawczych. Aby potwierdzić, że EBC reagują na lokalne granice komory, a nie na jej dystalne cechy, naukowcy „obrócili” pozycję kamery o 45° i pomalowali kilka ścian na czarno, co odróżnia je od tych użytych w poprzednich testach.
Dane zbierano zarówno w konwencjonalnej komorze badawczej, jak i w komorze obrotowej. Pomimo zmiany w komorze testowej wszystkie preferowane orientacje i odległości względem ścian badanych EBC pozostały takie same.
Biorąc pod uwagę znaczenie kątów, rozważono również możliwość, że EBC jednoznacznie kodują te lokalne atrybuty środowiskowe. Izolując różnicę między odpowiedzią w pobliżu rogów a odpowiedzią w pobliżu środka ściany, zidentyfikowano podzbiór komórek EBC (n = 16; 9,4%), które wykazują zwiększoną reakcję w rogach.
Można zatem wysnuć pośredni wniosek, że to komórki EBC doskonale reagują na obwód komory, czyli na ściany komory badawczej i jej narożniki.
Następnie naukowcy sprawdzili, czy reakcja komórek EBC na otwartą przestrzeń (arena testowa bez labiryntu, czyli tylko 4 ściany) jest taka sama dla różnych rozmiarów pomieszczenia testowego. Dokonano trzech wizytacji, w każdej z nich długość murów różniła się od poprzednich o 3 cm.
Niezależnie od wielkości komory testowej EBC reagował na jej granice w tej samej odległości i orientacji w stosunku do badanego. Oznacza to, że odpowiedź nie skaluje się wraz z rozmiarem środowiska.
Obraz #3: stabilna odpowiedź komórek EBC na granice przestrzeni.
Wyjaśnienia do obrazu nr 3:а — mapy egocentryczne EBC w warunkach normalnych (po lewej) oraz przy obróceniu komory badawczej o 45° (po prawej);
b — mapy EBC egocentryczne dla komory o wymiarach 1.25 x 1.25 m (po lewej) oraz dla powiększonej komory o wymiarach 1.75 x 1.75 m (po prawej);
с — egocentryczne mapy EBC ze zwykłymi czarnymi ścianami komory (po lewej) i wzorzystymi ścianami (po prawej);
d-f - wykresy preferowanej odległości (góra) i zmian preferowanej orientacji względem linii bazowej (dół).
Ponieważ prążkowie otrzymuje informacje o środowisku z kilku obszarów kory wzrokowej, naukowcy sprawdzili również, czy wpływa to na wygląd ścian (3s) komory do reakcji komórek EBC.
Zmiana wyglądu granic przestrzeni nie miała wpływu na reakcję komórek EBC oraz odległość i orientację wymaganą do reakcji względem badanego.
Obraz #4: Stabilność odpowiedzi komórek EBC niezależnie od środowiska.
Wyjaśnienia do obrazu nr 4:а — mapy egocentryczne dla EBC w znanych (po lewej) i nowych (po prawej) środowiskach;
b - mapy egocentryczne dla EBC uzyskane w tym samym środowisku, ale z przedziałem czasowym;
с - Wykresy preferowanej odległości (góra) i zmiany preferowanej orientacji względem linii bazowej (dół) dla nowych (nieznanych) środowisk;
d - wykresy preferowanej odległości (góra) i zmiany preferowanej orientacji względem linii bazowej (dół) dla wcześniej zbadanych (znanych) środowisk.
Stwierdzono również, że reakcja komórek EBC, a także wymagana orientacja i odległość względem badanego nie zmieniają się w czasie.
Jednak ten „tymczasowy” test przeprowadzono w tej samej komorze testowej. Należało również sprawdzić, jaka jest różnica między reakcją EBC na znane warunki, a na nowe. W tym celu przeprowadzono kilka wizyt, podczas których szczury badały komorę, którą znają już z poprzednich testów, a następnie nowe komory z otwartą przestrzenią.
Jak można się domyślić, odpowiedź komórek EBC + pożądana orientacja/odległość pozostały niezmienione w nowych komorach (4a, 4c).
Tym samym reakcja EBC zapewnia stabilną reprezentację granic otoczenia względem badanego we wszystkich typach tego środowiska, niezależnie od wyglądu ścian, powierzchni komory badawczej, jej ruchu oraz czas spędzony przez badanego w komorze.
Aby uzyskać bardziej szczegółową znajomość niuansów badania, polecam przyjrzeć się и do niego.
Epilog
W tej pracy naukowcom udało się potwierdzić w praktyce teorię egocentrycznej reprezentacji otoczenia, która jest niezwykle ważna dla orientacji w przestrzeni. Udowodnili, że istnieje proces pośredni między allocentryczną reprezentacją przestrzenną a faktycznym działaniem, w którym uczestniczą określone komórki prążkowia, zwane egocentrycznymi komórkami granicznymi (EBC). Stwierdzono również, że EBC były bardziej związane z kontrolą ruchu całego ciała, a nie tylko głowy badanych.
Badanie to miało na celu określenie pełnego mechanizmu orientacji w przestrzeni, wszystkich jego składowych i zmiennych. Zdaniem naukowców ta praca pomoże jeszcze bardziej udoskonalić technologie nawigacji dla samochodów autonomicznych i robotów, które potrafią, tak jak my, rozumieć otaczającą ich przestrzeń. Naukowcy są niezwykle podekscytowani wynikami swojej pracy, które dają powód do dalszego badania zależności między określonymi obszarami mózgu a sposobem poruszania się w przestrzeni.
Dziękuję za uwagę, bądźcie ciekawi i życzę wszystkim udanego tygodnia! 🙂
Dziękujemy za pobyt z nami. Podobają Ci się nasze artykuły? Chcesz zobaczyć więcej ciekawych treści? Wesprzyj nas składając zamówienie lub polecając znajomym, 30% zniżki dla użytkowników Habr na unikalny odpowiednik serwerów klasy podstawowej, który został przez nas wymyślony dla Ciebie: (dostępne z RAID1 i RAID10, do 24 rdzeni i do 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 razy tańszy? Tylko tutaj w Holandii! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB — od 99 USD! Czytać o
Źródło: www.habr.com