Mișcarea este viața. Această afirmație poate fi interpretată atât ca o motivație de a merge înainte, de a nu stagna și de a atinge dorințele, cât și ca o constatare că aproape toate ființele vii își petrec cea mai mare parte a timpului în mișcare. Pentru ca mișcările și deplasările noastre în spațiu să nu se finalizeze de fiecare dată cu lovituri și degete mici rupte, creierul nostru folosește „hărți” salvate ale mediului înconjurător, care sunt evocate inconștient în momentul mișcării noastre. Totuși, există o opinie că creierul aplică aceste hărți nu din exterior, ci așezând individul pe această hartă și adunând date dintr-o perspectivă de prim-plan. O echipă de cercetători de la Universitatea Boston a decis să demonstreze această teorie printr-o serie de experimente practice cu șoareci de laborator. Cum se orientează de fapt creierul în spațiu, ce celule sunt implicate în acest proces și ce rol joacă această cercetare în viitorul automobilelor autonome și roboților? Despre aceasta vom afla din raportul grupului de cercetare. Să începem.
Baza cercetării
Astfel, faptul stabilit cu mulți ani în urmă este că hipocampul este partea principală a creierului responsabilă pentru orientarea în spațiu.
Hipocampul participă la diverse procese: formarea emoțiilor, transformarea memoriei pe termen scurt în memorie pe termen lung și formarea memoriei spațiale. Aceasta din urmă este sursa acelor „hărți” pe care creierul nostru le activează în momentul necesar pentru a se orienta mai eficient în spațiu. Cu alte cuvinte, hipocampul stochează modele neuronale tridimensionale ale spațiului în care se află proprietarul creierului.
Hipocamp
Există o teorie care susține că între navigația efectivă și hărțile din hipocamp există o etapă intermediară — transformarea acestor hărți în perspectivă de prim-plan. Adică, persoana încearcă să înțeleagă unde se află lucrurile nu în general (așa cum vedem pe hărțile reale), ci unde se vor afla în raport cu sine (asemănător cu funcția „vizualizare străzi” din Google Maps).
Autorii lucrării pe care o discutăm subliniază următoarele: hărțile cognitive ale mediului sunt codificate în formația hipocampală într-un sistem allocentric, dar motricitatea (mișcările în sine) este reprezentată într-un sistem egocentric.
UFO: Enemy Unknown (sistem allocentric) și DOOM (sistem egocentric).
Diferența dintre sistemele allocentrice și egocentrice este similară cu cea dintre jocurile din perspectiva unui terț (sau dintr-o perspectivă laterală, de sus etc.) și jocurile din perspectiva unui prim. În primul caz, mediul în sine este important pentru noi, iar în al doilea - poziția noastră în raport cu acest mediu. Astfel, planurile de navigație allocentrice trebuie transformate într-un sistem egocentric pentru implementarea efectivă, adică pentru a ne deplasa în spațiu.
Cercetătorii consideră că nucleul dorsomedial striatum (DMS)* joacă un rol esențial în procesul descris mai sus.
Corpul striat al creierului uman.
Striatum* este o parte a creierului care face parte din nuclei bazali; striatum implică reglarea tonusului muscular, organelor interne și reacțiilor comportamentale; striatum este de asemenea numit „corpul striat” datorită structurii sale formată din benzi alternante de materie cenușie și albă.
DMS demonstrează răspunsuri neuronale legate de luarea deciziilor și de executarea acțiunilor în ceea ce privește navigația în spațiu, de aceea această zonă a creierului merită studiată mai detaliat.
Rezultatele cercetării
Pentru a determina prezența/absența informației egocentrice despre spațiu în corpul striat (DMS), patru masculi de șobolan au fost implantați cu până la 16 tetrozi (electrozi speciali conectați la zonele relevante ale creierului), țintiți către DMS (1a).
Imaginea nr. 1: reacția celulelor din corpul striat în raport cu limitele mediului în sistemul egocentric de referință.
Explicațiile pentru imaginea nr. 1:și — punctele de amplasare a tetrozilor;
b — harta egocentrică a limitelor;
de — hărțile spațiale allocentrice (cele 4 pătrate din stânga), graficele traiectoriilor cu coduri de culoare pentru pozițiile vârfurilor de reacție ale celulelor în raport cu poziția corpului și hărțile egocentrice (cele 4 pătrate din dreapta) bazate pe reacția celulelor EBC în diferite orientări și distanțe între șobolan și perete;
d — la fel ca și pe 1C, dar pentru EBC cu distanțe preferate, îndepărtate de animal;
e — la fel ca și pe 1C, dar pentru două EBC inverse;
f — distribuția lungimii rezultate medii pentru celulele observate;
g — distribuția lungimii rezultate medii pentru EBC folosind direcția de mișcare și direcția capului;
h — distribuția răspunsului mediu al celulelor (toate și EBC).
Au fost realizate 44 de experimente în care șobolanii au adunat hrană dispersată aleatoriu într-un mediu familiar (deschis, nu în labirint). Ca urmare, au fost înregistrate 939 de celule. Din datele colectate, au fost identificate 31 de celule în direcția capului (HDC), însă doar o mică parte dintre celule, mai precis 19, aveau corelați spațiali alocentrici. Activitatea acestor celule, limitată de perimetrul mediului înconjurător, a fost observată doar în timpul mișcării șobolanului de-a lungul pereților camerei de testare, sugerând o schemă de codare egocentrică a granițelor spațiului.
Pentru a evalua posibilitățile unei astfel de reprezentări egocentrice pe baza valorilor maxime ale activității celulelor, au fost create hărți egocentrice ale granițelor (1b), care ilustrează orientarea și distanța granițelor în raport cu direcția de mișcare a șobolanului, nu cu poziția capului său (comparativ cu 1g).
18% din celulele înregistrate (171 din 939) au arătat un răspuns semnificativ când granița camerei ocupa o anumită poziție și orientare în raport cu subiectul (1f). Oamenii de știință le-au numit celule ale granițelor egocentrice (EBC — egocentric boundary cells). Numărul acestor celule la subiecți varia de la 15 la 70, cu o medie de 42,75 (1c, 1d).
Printre celulele granițelor egocentrice, au existat astfel de celule a căror activitate a scăzut ca răspuns la granițele camerei. Au fost 49 la număr și au fost numite EBC inverse (iEBC). Valoarea medie a răspunsului celulelor (potențialul lor de acțiune) la EBC și iEBC a fost destul de scăzută — 1,26 ± 0,09 Hz (1h).
Populația de celule EBC reacționează la toate variantele de orientare și poziție a graniței camerei în raport cu subiectul, dar distribuția orientării preferate este bimodală, cu vârfuri plasate la 180° una față de alta de ambele părți ale animalului (-68° și 112°), fiind ușor deplasată față de perpendiculara pe axa lungă a animalului cu 22° (2d).
Imaginea nr. 2: orientarea preferată și distanța pentru reacția celulelor egocentrice de frontieră (EBC).
Explicații pentru imaginea nr. 2:a — hărțile egocentrice de frontieră pentru patru EBC investigate simultan, cu diferitele orientări preferate indicate deasupra fiecărui grafic;
b — poziția electrozilor în raport cu celulele din 2a (numerele indică numărul electrozilor);
de — distribuția probabilităților orientărilor preferate pentru toate EBC ale unei șoimi;
d — distribuția probabilităților orientărilor preferate pentru EBC ale tuturor șoimilor;
e — poziția electrozilor pentru celulele reprezentate în 2f;
f — hărțile egocentrice de frontieră pentru șase EBC înregistrate simultan, cu diverse distanțe preferate indicate deasupra fiecărui grafic;
g — distribuția probabilităților distanței preferate pentru toate EBC ale unei șoimi;
h — distribuția probabilităților distanței preferate pentru EBC ale tuturor șoimilor;
i — diagramă polară a distanței preferate și orientării preferate pentru toate EBC, cu dimensiunea spațiului reprezentată prin culoare și diametrul punctelor.
Distribuția distanței preferate până la frontieră a conținut trei vârfuri: 6.4, 13.5 și 25.6 cm, indicând existența a trei distanțe preferate diferite între EBC (2f—2h), care pot fi importante pentru strategia de căutare ierarhică de navigație. Dimensiunea câmpurilor receptive ale EBC a crescut în funcție de distanța preferată (2i), ceea ce indică o creștere a preciziei reprezentării egocentrice a frontierei prin reducerea distanței între perete și subiect.
Atât în orientarea preferată, cât și în distanță a lipsit o topografie clară, deoarece EBC-urile active ale subiectului cu diferite orientări și distanțe față de perete apăreau pe același electrod (2a, 2b, 2e și 2f).
De asemenea, s-a constatat că EBC reacționează constant la frontierele spațiului (pereții camerei) în orice variantă a camerelor de testare. Pentru a confirma că EBC reacționează la frontierele locale ale camerei, nu la trăsăturile sale distale, cercetătorii "au rotit" poziția camerei cu 45° și au făcut câțiva pereți negri, făcând astfel camera distinctă de cea utilizată în testele anterioare.
Datele au fost colectate atât în camera de testare obișnuită, cât și în cea rotunjită. În ciuda schimbării camerei de testare, toate orientările și distanțele preferate față de pereții EBC-ului au rămas neschimbate.
Având în vedere semnificația unghiurilor, a fost luată în considerare și posibilitatea ca EBC să codeze în mod unic acești atributi locali ai mediului. Prin analizarea diferenței dintre reacția din apropierea unghiurilor și reacția din apropierea mijlocului peretelui, a fost identificat un subset de celule EBC (n = 16; 9,4%) care manifestă o reacție crescută la unghiuri.
Astfel, se poate concluziona intermediar că exact celulele EBC reacționează excelent la perimetrul camerei, adică la pereții camerei de testare și la unghiurile acesteia.
Apoi, cercetătorii au verificat dacă reacția celulelor EBC la spațiul deschis (arena de testare fără labirint, adică doar 4 pereți) este aceeași pentru diferite dimensiuni ale camerei de testare. Au fost efectuate 3 încercări, în fiecare dintre care lungimea pereților a variat cu 50 cm față de precedenta.
Indiferent de dimensiunile camerei de testare, EBC-urile au reacționat la granițele acesteia la aceeași distanță și orientare față de subiect. Acest lucru sugerează absența scalării reacției în funcție de dimensiunea mediului înconjurător.
Imaginea nr. 3: reacția stabilă a celulelor EBC la granițele spațiului.
Explicații pentru imaginea nr. 3:și — hărțile egocentrice EBC în condiții normale (stânga) și când camera de testare este rotită cu 45° (dreapta);
b — hărțile egocentrice EBC pentru o cameră cu dimensiunea de 1.25 x 1.25 m (stânga) și pentru o cameră mărită de 1.75 x 1.75 m (dreapta);
de — hărțile egocentrice EBC cu pereți negri obișnuiți în cameră (stânga) și cu pereți în model (dreapta);
d—f — graficele distanței preferate (sus) și variația orientării preferate față de linia de bază (jos).
Întrucât corpul dungat primește informații despre mediul înconjurător din mai multe zone ale cortexului vizual, cercetătorii au verificat, de asemenea, dacă aspectul pereților (3s) camerei influențează reacția celulelor EBC.
Schimbarea aspectului granițelor spațiului nu a influențat reacția celulelor EBC și distanța și orientarea necesare pentru reacție față de subiect.
Imaginea nr. 4: stabilitatea reacției celulelor EBC indiferent de mediul înconjurător.
Explicații pentru imaginea nr. 4:și — hărți egocentrice pentru EBC în medii familiari (stânga) și noi (dreapta);
b — hărți egocentrice pentru EBC obținute în medii identice, dar cu un interval de timp;
de — grafice ale distanței preferate (sus) și schimbările orientării preferate în raport cu linia de bază (jos) pentru medii noi (necunoscute);
d — grafice ale distanței preferate (sus) și schimbările orientării preferate în raport cu linia de bază (jos) pentru medii deja studiate (familiari).
De asemenea, s-a stabilit că reacția celulelor EBC, la fel ca orientarea și distanța necesare în raport cu subiectul de studiu, nu se schimbă în timp.
Totuși, acest test „temporal” a fost efectuat în aceeași cameră de testare. A fost necesar să se verifice și care este diferența între reacția EBC la condiții cunoscute și cele noi. Pentru aceasta, au fost efectuate mai multe sesiuni, în care șobolanii au studiat camera pe care deja o cunosc din teste anterioare și apoi — camere noi cu spațiu deschis.
Așa cum ați ghicit, reacția celulelor EBC + orientarea/distanța necesară au rămas constante în camerele noi (4a, 4c).
Astfel, reacția EBC oferă o reprezentare stabilă a limitelor mediului în raport cu subiectul de studiu în toate tipurile de mediu, indiferent de aspectul pereților, dimensiunea camerei de testare, deplasarea acesteia și timpul petrecut de subiect în cameră.
Pentru o mai bună înțelegere a nuanțelor cercetării, vă recomand să consultați și la acesta.
Epilog
În această lucrare, cercetătorii au reușit să confirme practic teoria reprezentării egocentrice a mediului, ceea ce este extrem de important pentru orientarea în spațiu. Aceștia au demonstrat că există un proces intermediar între reprezentarea spațială alocentrică și acțiunea efectivă, în care sunt implicate anumite celule din corpul striat, denumite celule ale limitelor egocentrice (EBC). De asemenea, s-a stabilit că EBC sunt mai legate de controlul mișcării întregului corp, nu doar al capului subiecților.
Această cercetare a fost dedicată identificării întregului mecanism de orientare în spațiu, a tuturor componentelor și variabilelor sale. Această lucrare, conform spuselor oamenilor de știință, va ajuta ulterior la perfecționarea tehnologiilor de navigație pentru automobilele autonome și pentru roboții care vor putea înțelege spațiul din jurul lor, la fel cum o facem noi. Cercetătorii sunt extrem de mulțumiți de rezultatele muncii lor, care oferă suficiente motive pentru a continua studiul interdependenței dintre anumite zone ale creierului și modul în care se realizează navigația în spațiu.
Vă mulțumesc pentru atenție, rămâneți curioși și o săptămână de lucru bună, băieți! 🙂
Vă mulțumim că rămâneți cu noi. Vă plac articolele noastre? Doriți să vedeți mai multe materiale interesante? Susțineți-ne făcând o comandă sau recomandându-ne prietenilor. 30% reducere pentru utilizatorii Habr pentru un server entry-level unic, creat special pentru tine: (sunt disponibile opțiuni cu RAID1 și RAID10, până la 24 nuclee și până la 40GB DDR4).
Dell R730xd la jumătate de preț? Numai la noi în Olanda! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — de la 99 $! Citiți despre
Sursa: habr.com
