Movimento é vida. Esta frase pode ser interpretada tanto como uma motivação para seguir em frente, para não ficar parado e alcançar o que deseja, quanto como uma afirmação do fato de que quase todos os seres vivos passam a maior parte de suas vidas em movimento. Para garantir que nossos movimentos e movimentos no espaço não terminem com batidas na testa e dedinhos do pé quebrados a cada vez, nosso cérebro usa “mapas” armazenados do ambiente que surgem inconscientemente no momento de nosso movimento. No entanto, existe uma opinião de que o cérebro usa esses mapas não de fora, por assim dizer, mas colocando uma pessoa nesse mapa e coletando dados a partir de uma visão em primeira pessoa. Cientistas da Universidade de Boston decidiram provar esta teoria conduzindo uma série de experimentos práticos com ratos de laboratório. Como é que o cérebro realmente navega no espaço, que células estão envolvidas e que papel esta investigação desempenha para o futuro dos carros e robôs autónomos? Aprendemos sobre isso no relatório do grupo de pesquisa. Ir.
Base do estudo
Assim, o fato estabelecido há muitos anos é que a principal parte do cérebro responsável pela orientação no espaço é o hipocampo.
O hipocampo está envolvido em vários processos: a formação de emoções, a transformação da memória de curto prazo em memória de longo prazo e a formação da memória espacial. É este último a fonte daqueles mesmos “mapas” que o nosso cérebro invoca no momento certo para uma orientação mais eficaz no espaço. Em outras palavras, o hipocampo armazena modelos neurais tridimensionais do espaço dentro do qual o dono do cérebro está localizado.
Hipocampo
Existe uma teoria que afirma que entre a navegação real e os mapas do hipocampo, existe uma etapa intermediária - converter esses mapas em uma visão em primeira pessoa. Ou seja, uma pessoa está tentando entender onde algo está localizado não em geral (como vemos em mapas reais), mas onde algo estará localizado em relação a si mesmo (como a função “street view” no Google Maps).
Os autores do trabalho que estamos considerando enfatizam o seguinte: Os mapas cognitivos do ambiente são codificados na formação do hipocampo no sistema alocêntrico, mas as habilidades motoras (os próprios movimentos) são representadas no sistema egocêntrico.
OVNI: Inimigo Desconhecido (sistema alocêntrico) e DOOM (sistema egocêntrico).
A diferença entre sistemas alocêntricos e egocêntricos é semelhante à diferença entre jogos com visão de terceira pessoa (ou visão lateral, vista superior, etc.) e jogos com visão de primeira pessoa. No primeiro caso, o próprio ambiente é importante para nós; no segundo, a nossa posição em relação a esse ambiente. Assim, os planos de navegação alocêntricos devem ser convertidos num sistema egocêntrico para implementação real, ou seja, movimento no espaço.
Os pesquisadores acreditam que é o dorsomedial corpo estriado (DMS)* desempenha um papel vital no processo acima.
O corpo estriado do cérebro humano.
Estriado* - parte do cérebro que pertence aos gânglios da base; o corpo estriado está envolvido na regulação do tônus muscular, órgãos internos e reações comportamentais; O estriado também é chamado de “estriado” devido à sua estrutura de faixas alternadas de substância cinzenta e branca.
O DMS demonstra respostas neurais associadas à tomada de decisões e à execução de ações relativas à navegação no espaço, portanto esta região do cérebro deve ser estudada mais detalhadamente.
Resultados do estudo
Para determinar a presença/ausência de informação espacial egocêntrica no estriado (DMS), 4 ratos machos foram implantados com até 16 tetrodos (eletrodos especiais conectados às áreas desejadas do cérebro) visando o DMS (1a).
Imagem nº 1: Resposta das células do estriado aos limites ambientais em um quadro de referência egocêntrico.
Explicações para a imagem nº 1:а — pontos de localização do tetrodo;
b — mapa de limites egocêntricos;
с — mapas espaciais alocêntricos (4 quadrados à esquerda), gráficos de trajetória codificados por cores das localizações dos picos de resposta celular em relação à posição do corpo e mapas egocêntricos (4 quadrados à direita) baseados na resposta das células EBC em várias orientações e distâncias entre o rato e a parede;
d - como em 1c, mas para EBC com distâncias preferenciais longe do animal;
e - como em 1c, mas para dois EBCs inversos;
f — distribuição do comprimento médio resultante para as células observadas;
g - distribuição do comprimento médio resultante para EBC utilizando a direção do movimento e a direção da cabeça;
h — distribuição da resposta média de jaulas (todos e EBC).
Foram realizados 44 experimentos nos quais ratos coletaram alimentos espalhados aleatoriamente em um espaço familiar (aberto, não em um labirinto). Como resultado, foram registradas 939 células. A partir dos dados coletados, foram identificadas 31 células de direção da cabeça (HDCs), mas apenas uma pequena fração das células, 19 para ser exato, apresentava correlações espaciais alocêntricas. Além disso, a atividade dessas células, limitada pelo perímetro do ambiente, foi observada apenas durante o movimento do rato ao longo das paredes da câmara de teste, o que sugere um esquema egocêntrico de codificação dos limites do espaço.
Para avaliar as possibilidades de tal representação egocêntrica baseada no pico de atividade celular, foram criados mapas de limites egocêntricos (1b), que ilustram a orientação e distância dos limites em relação à direção do movimento do rato, em vez da posição de sua cabeça (comparação com 1g).
18% das células registradas (171 de 939) mostraram uma resposta significativa quando o limite da câmara ocupou uma determinada posição e orientação em relação à experimental (1f). Os cientistas as chamam de células limite egocêntricas (EBCs). células limite egocêntricas). O número dessas células em sujeitos experimentais variou de 15 a 70, com uma média de 42.75 (1c, 1d).
Entre as células dos limites egocêntricos, havia aquelas cuja atividade diminuía em resposta aos limites da câmara. Havia 49 deles no total e foram chamados de EBCs inversos (iEBCs). A resposta celular média (seu potencial de ação) em EBC e iEBC foi bastante baixa - 1,26 ± 0,09 Hz (1h).
A população de células EBC responde a todas as orientações e posições do limite da câmara em relação ao sujeito de teste, mas a distribuição da orientação preferida é bimodal com picos localizados 180° opostos um ao outro em ambos os lados do animal (-68° e 112°) , estando ligeiramente deslocado da perpendicular ao longo eixo do animal em 22° (2d).
Imagem nº 2: Orientação e distância preferidas para resposta de células limite egocêntricas (EBCs).
Explicações para a imagem nº 2:a — mapas de limites egocêntricos para quatro EBC examinados simultaneamente com diferentes orientações preferidas indicadas acima de cada gráfico;
b - posição dos tetrodos de acordo com as células de 2a (os números indicam o número do tetrodo);
с — distribuição de probabilidade de orientações preferidas para todos os EBCs de um rato;
d — distribuição de probabilidade de orientações preferidas para CEP de todos os ratos;
е - posições do tetrodo para as células mostradas em 2f;
f - mapas de limites egocêntricos para seis EBCs registrados simultaneamente com diferentes distâncias preferidas indicadas acima de cada gráfico;
g — distribuição de probabilidade da distância preferida para todos os EBCs de um rato;
h — distribuição de probabilidade da distância preferida para EBC de todos os ratos;
i é um gráfico polar de distância e orientação preferida para todos os EBCs, com o tamanho do espaço representado pela cor e diâmetro dos pontos.
A distribuição da distância preferida até o limite continha três picos: 6.4, 13.5 e 25.6 cm, indicando a presença de três diferentes distâncias preferidas entre EBCs (2f-2h), o que pode ser importante para uma estratégia de busca navegacional hierárquica. O tamanho dos campos receptivos EBC aumentou em função da distância preferida (2i), o que indica que a precisão da representação egocêntrica dos limites aumenta com a diminuição da distância entre a parede e o sujeito experimental.
Tanto a orientação quanto a distância preferidas careciam de uma topografia clara, já que os EBCs ativos do sujeito com diferentes orientações e distâncias em relação à parede apareciam no mesmo tetrodo (2a, 2b, 2e и 2f).
Verificou-se também que os EBCs respondem consistentemente aos limites do espaço (paredes da câmara) em qualquer versão das câmaras de teste. Para confirmar que os EBCs respondem aos limites locais da câmara e não às suas características distais, os cientistas “giraram” a posição da câmara em 45° e tornaram várias paredes pretas, tornando-a diferente daquela utilizada em testes anteriores.
Os dados foram coletados tanto na câmara de teste normal quanto na câmara rotacionada. Apesar da mudança na câmara de teste, todas as orientações e distâncias preferidas em relação às paredes dos sujeitos do teste EBC permaneceram as mesmas.
Dada a importância dos ângulos, também foi considerada a possibilidade de os EBCs codificarem exclusivamente estes atributos ambientais locais. Ao isolar a diferença entre a resposta perto dos cantos e a resposta perto do meio da parede, identificamos um subconjunto de células EBC (n = 16; 9,4%) que apresentam resposta aumentada aos cantos.
Assim, podemos tirar uma conclusão intermediária de que são as células EBC que respondem bem ao perímetro da câmara, ou seja, às paredes da câmara de teste e aos seus cantos.
Em seguida, os cientistas testaram se a resposta das células EBC ao espaço aberto (uma arena de teste sem labirinto, ou seja, apenas 4 paredes) é a mesma para diferentes versões da área da sala de teste. Foram realizadas 3 corridas, em cada uma das quais o comprimento das paredes diferia das anteriores em 50 cm.
Independentemente do tamanho da câmara de teste, os EBCs responderam aos seus limites na mesma distância e orientação em relação ao sujeito de teste. Isso indica que a resposta não se adapta ao tamanho do ambiente.
Imagem nº 3: Resposta estável das células EBC aos limites espaciais.
Explicações para a imagem nº 3:а — mapas EBC egocêntricos em condições normais (esquerda) e quando a câmara de teste foi girada 45° (direita);
b — mapas EBC egocêntricos para uma câmara de 1.25 x 1.25 m (esquerda) e para uma câmara ampliada de 1.75 x 1.75 m (direita);
с — mapas EBC egocêntricos com paredes regulares de câmara preta (esquerda) e com paredes padronizadas (direita);
d-f — gráficos de distância preferida (parte superior) e mudanças na orientação preferida em relação à linha de base (parte inferior).
Como o corpo estriado recebe informações sobre o ambiente de diversas áreas do córtex visual do cérebro, os cientistas também testaram se a aparência das paredes influencia (3c) câmaras na resposta das células EBC.
A alteração da aparência dos limites do espaço não teve efeito na reação das células EBC ou na distância e orientação necessárias para a reação em relação ao sujeito experimental.
Imagem nº 4: Consistência da resposta das células EBC, independentemente do ambiente.
Explicações para a imagem nº 4:а — mapas egocêntricos para EBC em ambientes familiares (esquerda) e novos (direita);
b — mapas egocêntricos para EBC, obtidos no mesmo ambiente, mas com intervalo de tempo;
с — gráficos de distância preferida (topo) e mudanças na orientação preferida em relação à linha de base (parte inferior) para ambientes novos (desconhecidos);
d — gráficos de distância preferida (parte superior) e mudanças na orientação preferida em relação à linha de base (parte inferior) para ambientes previamente estudados (familiares).
Verificou-se também que a resposta das células EBC, bem como a orientação e distância necessárias em relação ao sujeito experimental, não mudam ao longo do tempo.
Contudo, este teste “cronometrado” foi realizado na mesma câmara de teste. Também foi necessário verificar qual a diferença entre a resposta da EBC às condições conhecidas e às novas. Para isso, foram realizadas diversas corridas quando os ratos estudaram uma câmara que já conheciam de testes anteriores e, em seguida, novas câmaras com espaço aberto.
Como você deve ter adivinhado, a resposta da célula EBC + orientação/distância desejada permaneceu inalterada nas novas câmaras (4a, 4c).
Assim, a resposta EBC fornece uma representação estável dos limites do ambiente em relação ao sujeito de teste em todos os tipos desse ambiente, independentemente da aparência das paredes, da área da câmara de teste, do seu movimento e do tempo. o sujeito passou na câmara.
Para uma compreensão mais detalhada das nuances do estudo, recomendo dar uma olhada em и para ele.
Epílogo
Neste trabalho, os cientistas conseguiram confirmar na prática a teoria de uma representação egocêntrica do meio ambiente, extremamente importante para a orientação no espaço. Eles mostraram que entre a representação espacial alocêntrica e a ação real existe um processo intermediário que envolve certas células do corpo estriado, chamadas células limite egocêntricas (EBC). Verificou-se também que os EBCs estavam mais relacionados ao controle do movimento de todo o corpo, e não apenas da cabeça dos sujeitos do teste.
Este estudo teve como objetivo determinar o mecanismo completo de orientação no espaço, todos os seus componentes e variáveis. Este trabalho, segundo os cientistas, ajudará ainda mais a melhorar as tecnologias de navegação para carros autônomos e para robôs que serão capazes de compreender o espaço ao seu redor, assim como nós. Os investigadores estão extremamente satisfeitos com os resultados do seu trabalho, que dão motivos para continuar a estudar a relação entre determinadas áreas do cérebro e como é feita a navegação no espaço.
Obrigado pela leitura, fiquem curiosos e tenham uma ótima semana pessoal! 🙂
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Fonte: habr.com