Movimento é vida. Esta frase pode ser interpretada tanto como uma motivação para seguir em frente, não ficar parado e alcançar o desejado, quanto como uma constatação de que praticamente todos os seres vivos passam a maior parte da vida em movimento. Para que nossos movimentos e deslocamentos no espaço não terminem em machucados e dedos mindinhos quebrados, nosso cérebro utiliza "mapas" armazenados do ambiente que surgem inconscientemente no momento do nosso movimento. No entanto, há uma teoria que sugere que o cérebro aplica esses mapas de maneira não externa, mas colocando a pessoa neste mapa e coletando dados pela visão em primeira pessoa. Cientistas da Universidade de Boston decidiram comprovar essa teoria, realizando uma série de experimentos práticos com ratos de laboratório. Como, na verdade, o cérebro se orienta no espaço, quais células são ativadas e que papel essa pesquisa desempenha para o futuro de veículos autônomos e robôs? Sobre isso, saberemos a partir do relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá.
Base da pesquisa
Assim, o fato estabelecido há muitos anos é que a principal parte do cérebro responsável pela orientação no espaço é o hipocampo.
O hipocampo participa de uma variedade de processos: formação de emoções, transformação da memória de curto prazo em memória de longo prazo e formação da memória espacial. É exatamente a última que é a fonte dos "mapas" que nosso cérebro invoca em momentos necessários para uma orientação mais eficiente no espaço. Em outras palavras, o hipocampo armazena modelos neuronais tridimensionais do espaço em que se encontra o proprietário do cérebro.
Hipocampo
Há uma teoria que afirma que entre a navegação real e os mapas do hipocampo existe uma etapa intermediária — a transformação desses mapas em uma visão em primeira pessoa. Ou seja, a pessoa tenta entender onde as coisas estão não de maneira geral (como vemos em mapas reais), mas onde as coisas estarão em relação a ela mesma (como a função "visualização de ruas" no Google Maps).
Os autores da obra em questão enfatizam o seguinte: Os mapas cognitivos do ambiente são codificados na formação hipocampal em um sistema alocêntrico, mas a motricidade (os movimentos em si) é apresentada em um sistema egocêntrico.
UFO: Enemy Unknown (sistema alocêntrico) e DOOM (sistema egocêntrico).
A diferença entre os sistemas alocêntrico e egocêntrico é semelhante à diferença entre jogos em terceira pessoa (ou de lado, de cima etc.) e jogos em primeira pessoa. No primeiro caso, o importante para nós é o próprio ambiente; no segundo, nossa posição em relação a esse ambiente. Assim, planos de navegação alocêntricos devem ser convertidos em um sistema egocêntrico para a implementação prática, ou seja, movimentos no espaço.
Os pesquisadores acreditam que é a região dorso-medial estriado (DMS)* que desempenha um papel crucial no processo descrito acima.
O corpo estriado do cérebro humano.
Estriado* é uma parte do cérebro que se refere aos núcleos basais; o estriado participa da regulação do tônus muscular, de órgãos internos e reações comportamentais; o estriado também é chamado de 'corpo estriado' devido à sua estrutura com faixas alternadas de substância cinza e branca.
O DMS demonstra respostas neuronais relacionadas à tomada de decisões e à execução de ações em relação à navegação no espaço, portanto, essa área do cérebro deve ser estudada mais detalhadamente.
Resultados da Pesquisa
Para determinar a presença/ausência de informação espacial egocêntrica no corpo estriado (DMS), 4 machos de ratas foram implantados com até 16 tetrodos (eletrodos especiais conectados às áreas necessárias do cérebro), direcionados ao DMS (1a).
Imagem nº 1: reação das células do corpo estriado às bordas do ambiente em um sistema de referência egocêntrica.
Explicações para a imagem nº 1:mais de 40.000 clientes em mais de 120 países — pontos de localização dos tetrodos;
b — mapa egocêntrico das bordas;
com — mapas espaciais alocêntricos (4 quadrados à esquerda), gráficos de trajetórias codificadas por cores das localizações dos picos de reação das células em relação à posição do corpo e mapas egocêntricos (4 quadrados à direita) com base na reação das células EBC em diferentes orientações e distâncias entre a rã e a parede;
d — assim como em 1C, mas para EBC com distâncias preferenciais, afastadas do animal;
e — assim como em 1C, mas para duas EBC inversas;
f — distribuição da média do comprimento resultante para células observadas;
(para particionar o disco em MBR ou GPT). — distribuição da média do comprimento resultante para EBC utilizando a direção de movimento e a direção da cabeça;
h — distribuição da média da resposta celular (todas e EBC).
Foram realizados 44 experimentos em que ratos coletavam comida aleatoriamente espalhada em um espaço familiar (aberto, não em um labirinto). Como resultado, 939 células foram registradas. Dos dados coletados, foram identificadas 31 células de direção da cabeça (HDC), mas apenas uma pequena parte das células, ou seja, 19, apresentaram correlatos espaciais alocêntricos. A atividade dessas células, restrita ao perímetro do ambiente, foi observada apenas durante o movimento do rato ao longo das paredes da câmara de teste, o que sugere um esquema de codificação egocêntrica das fronteiras do espaço.
Para avaliar as capacidades dessa representação egocêntrica com base nos picos de atividade celular, foram criados mapas egocêntricos das fronteiras (1b), que ilustram a orientação e a distância das fronteiras em relação à direção de movimento do rato, e não à posição de sua cabeça (comparação em 1g).
18% das células registradas (171 de 939) demonstraram uma resposta significativa quando a fronteira da câmara ocupava uma determinada posição e orientação em relação ao sujeito (1f). Os cientistas as chamaram de células de fronteiras egocêntricas (EBC — egocentric boundary cells). O número dessas células nos sujeitos variou de 15 a 70, com uma média de 42,75 (1c, 1d).
Entre as células de fronteiras egocêntricas, havia aquelas cuja atividade diminuía em resposta às fronteiras da câmara. Ao todo, eram 49, e foram chamadas de EBC inversas (iEBC). A média da resposta celular (seu potencial de ação) para EBC e iEBC foi bastante baixa — 1,26 ± 0,09 Hz (1h).
A população de células EBC reage a todas as variantes de orientação e posição da fronteira da câmara em relação ao sujeito, mas a distribuição da orientação preferencial é bimodal, com picos localizados a 180° um do outro em ambos os lados do animal (-68° e 112°), ligeiramente deslocados do perpendicular ao eixo longo do animal em 22° (2d).
Imagem nº 2: orientação preferencial e distância para a resposta das células de fronteira egocêntricas (EBC).
Explicações para a imagem nº 2:a — mapas egocêntricos de fronteiras para quatro EBC analisados simultaneamente, com diferentes orientações preferenciais indicadas acima de cada gráfico;
b — posição dos tetrodos de acordo com as células de 2a (números indicando o número do tetrodo);
com — distribuição de probabilidades das orientações preferenciais para todos os EBC de uma única rata;
d — distribuição de probabilidades das orientações preferenciais para os EBC de todas as ratas;
o — posição dos tetrodos para as células mostradas em 2f;
f — mapas egocêntricos de fronteiras para seis EBC gravados simultaneamente, com diferentes distâncias preferenciais indicadas acima de cada gráfico;
(para particionar o disco em MBR ou GPT). — distribuição de probabilidades da distância preferencial para todos os EBC de uma única rata;
h — distribuição de probabilidades da distância preferencial para os EBC de todas as ratas;
i — gráfico polar da distância preferencial e orientação preferencial para todos os EBC, com o tamanho do espaço apresentado pela cor e pelo diâmetro dos pontos.
A distribuição da distância preferencial até a fronteira continha três picos: 6.4, 13.5 e 25.6 cm, indicando a presença de três diferentes distâncias preferenciais entre os EBC (2f—2h), que podem ser importantes para a estratégia de busca de navegação hierárquica. O tamanho dos campos receptivos dos EBC aumentou com a distância preferencial (2i), indicando um aumento na precisão da representação egocêntrica das fronteiras quando a distância entre a parede e o sujeito diminuía.
Tanto na orientação preferencial quanto na distância, não havia uma topografia clara, pois os EBC ativos do sujeito com diferentes orientações e distâncias em relação à parede apareciam no mesmo tetrodo (2a, 2b, 2e e 2f).
Foi também identificado que os EBC reagem de forma consistente às fronteiras do espaço (paredes da câmara) em quaisquer variantes das câmaras de teste. Para confirmar que os EBC reagem às fronteiras locais da câmara e não às suas características distais, os pesquisadores "girarão" a posição da câmara em 45° e pintaram algumas paredes de preto, tornando-a distinta da usada em testes anteriores.
Os dados foram coletados tanto na câmara de teste convencional quanto na inclinada. Apesar da alteração na câmara de teste, todas as orientações e distâncias preferenciais em relação às paredes dos EBC permaneceram as mesmas.
Considerando a importância dos ângulos, a possibilidade de que os EBC codificassem de maneira única esses atributos ambientais locais também foi analisada. Ao examinar a diferença entre a resposta próxima aos ângulos e a resposta próxima ao meio da parede, um subconjunto de células EBC (n = 16; 9,4%) foi identificado, exibindo uma resposta aumentada aos ângulos.
Assim, pode-se concluir provisoriamente que as células EBC respondem de forma notável ao perímetro da câmara, ou seja, às paredes da câmara de teste e aos seus ângulos.
Os pesquisadores então examinaram se a resposta das células EBC ao espaço aberto (arena de teste sem labirinto, ou seja, apenas 4 paredes) era a mesma em diferentes variantes da área da sala de teste. Foram realizadas 3 tentativas, nas quais o comprimento das paredes variava em 50 cm de uma para a outra.
Independentemente das dimensões da câmara de teste, os EBC reagiram a suas bordas a uma distância e orientação semelhantes em relação ao sujeito. Isso indica a ausência de escalonamento da resposta com base no tamanho do ambiente circundante.
Imagem nº 3: resposta estável das células EBC às bordas do espaço.
Explicações para a imagem nº 3:mais de 40.000 clientes em mais de 120 países — mapas egocêntricos dos EBC sob condições normais (à esquerda) e com a câmara de teste rotacionada em 45° (à direita);
b — mapas egocêntricos dos EBC para uma câmara de 1,25 x 1,25 m (à esquerda) e para uma câmara aumentada de 1,75 x 1,75 m (à direita);
com — mapas egocêntricos dos EBC com paredes pretas normais da câmara (à esquerda) e com paredes padrão (à direita);
d—f — gráficos da distância preferencial (na parte superior) e alteração da orientação preferencial em relação à linha base (na parte inferior).
Como o corpo estriado obtém informações sobre o ambiente de várias áreas do córtex visual, os pesquisadores também verificaram se a aparência das paredes (3c) da câmara afetava a resposta das células EBC.
A alteração na aparência das bordas do espaço não influenciou a resposta das células EBC nem a distância e a orientação necessárias para a resposta em relação ao sujeito.
Imagem nº 4: estabilidade da resposta das células EBC independentemente do ambiente.
Explicações sobre a imagem nº 4:mais de 40.000 clientes em mais de 120 países — mapas egocêntricos para EBC em um ambiente familiar (à esquerda) e novo (à direita);
b — mapas egocêntricos para EBC obtidos no mesmo ambiente, mas com um intervalo de tempo;
com — gráficos de distância preferida (na parte superior) e mudanças na orientação preferida em relação à linha de base (na parte inferior) para ambientes novos (desconhecidos);
d — gráficos de distância preferida (na parte superior) e mudanças na orientação preferida em relação à linha de base (na parte inferior) para ambientes já estudados (familiares).
Foi também estabelecido que a reação das células EBC, assim como a orientação e distância necessária em relação ao sujeito, não mudam ao longo do tempo.
No entanto, este teste "temporal" foi realizado na mesma câmara de teste. Também era necessário verificar qual era a diferença entre a reação da EBC em condições conhecidas e novas. Para isso, foram realizados vários testes, onde os ratos exploraram a câmara que já conheciam de testes anteriores e, em seguida, novas câmaras em espaço aberto.
Como você já deve ter adivinhado, a reação das células EBC + a orientação/distância necessária permaneceram inalteradas nas novas câmaras (4a, 4c).
Assim, a reação da EBC proporciona uma representação estável dos limites do ambiente em relação ao sujeito, independentemente da aparência das paredes, do tamanho da câmara de teste, de seu movimento e do tempo gasto pelo sujeito na câmara.
Para um conhecimento mais detalhado sobre as nuances da pesquisa, recomendo dar uma olhada em e para ele.
Epílogo
Neste trabalho, os cientistas conseguiram confirmar na prática a teoria da representação egocêntrica do ambiente, o que é extremamente importante para a orientação espacial. Foi provado que existe um processo intermediário entre a representação espacial alocêntrica e a ação real, no qual participam certas células do corpo estriado, chamadas células de limites egocêntricos (EBC). Também foi estabelecido que as EBC estão mais relacionadas ao controle do movimento do corpo todo, e não apenas da cabeça dos sujeitos.
Este estudo foi focado em determinar o mecanismo completo de orientação espacial, todos os seus componentes e variáveis. Este trabalho, segundo os cientistas, ajudará a aprimorar as tecnologias de navegação para veículos autônomos e para robôs que poderão entender o espaço ao seu redor, assim como nós. Os pesquisadores estão extremamente satisfeitos com os resultados de seu trabalho, que fundamentam a continuidade do estudo da relação entre certas áreas do cérebro e a forma como a navegação no espaço é realizada.
Agradeço pela atenção, mantenham-se curiosos e tenham uma ótima semana de trabalho, pessoal! 🙂
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Fonte: habr.com
