Pohyb je život. Toto slovné spojenie sa dá interpretovať jednak ako motivácia napredovať, nezostať stáť na mieste a dosiahnuť to, čo chcete, jednak ako konštatovanie skutočnosti, že takmer všetky živé bytosti sú väčšinu svojho života v pohybe. Aby sa naše pohyby a pohyby v priestore neskončili zakaždým nárazmi na čele a zlomenými malíčkami na nohách, náš mozog využíva uložené „mapy“ prostredia, ktoré sa nám nevedomky vynoria v momente nášho pohybu. . Existuje však názor, že mozog tieto karty neaplikuje takpovediac zvonku, ale tak, že na túto kartu položí človeka a pri pohľade z prvej osoby zbiera údaje. Vedci z Bostonskej univerzity sa rozhodli túto teóriu dokázať vykonaním série praktických experimentov s laboratórnymi potkanmi. Ako sa vlastne mozog vo vesmíre pohybuje, o ktoré bunky ide a akú úlohu zohráva tento výskum pre budúcnosť autonómnych áut a robotov? Dozvedáme sa o tom zo správy výskumnej skupiny. Choď.
Výskumný základ
Pred mnohými rokmi sa teda zistilo, že hlavnou časťou mozgu zodpovednou za orientáciu v priestore je hipokampus.
Hipokampus sa podieľa na rôznych procesoch: na tvorbe emócií, premene krátkodobej pamäte na dlhodobú a na tvorbe priestorovej pamäte. Práve ten druhý je zdrojom práve tých „máp“, ktoré náš mozog volá v správnom momente na efektívnejšiu orientáciu v priestore. Inými slovami, hipokampus uchováva trojrozmerné nervové modely priestoru, v ktorom sa nachádza majiteľ mozgu.
Hippocampus
Existuje teória, podľa ktorej existuje medzistupeň medzi skutočnou navigáciou a mapami z hipokampu – transformácia týchto máp do pohľadu prvej osoby. To znamená, že človek sa snaží pochopiť, kde sa niečo vôbec nenachádza (ako vidíme na skutočných mapách), ale kde sa niečo bude nachádzať vzhľadom na neho (napríklad funkcia „street view“ v Mapách Google).
Autori práce, o ktorej uvažujeme, zdôrazňujú nasledovné: Kognitívne mapy prostredia sú zakódované v hipokampálnej formácii v alocentrickom systéme, no motorika (samotné pohyby) sú zastúpené v egocentrickom systéme.
UFO: Enemy Unknown (alocentrický systém) a DOOM (egocentrický systém).
Rozdiel medzi alocentrickými a egocentrickými systémami je ako rozdiel medzi hrami tretej osoby (alebo bočný pohľad, pohľad zhora atď.) a hrami prvej osoby. V prvom prípade je pre nás dôležité samotné prostredie, v druhom naše postavenie vo vzťahu k tomuto prostrediu. Alocentrické navigačné plány teda musia byť pre skutočnú realizáciu prevedené na egocentrický systém, t.j. pohyb v priestore.
Výskumníci sa domnievajú, že ide o dorzodial striatum (DMS)* hrá dôležitú úlohu vo vyššie uvedenom procese.
Striatum ľudského mozgu.
Striatum* - časť mozgu, ktorá patrí do bazálnych ganglií; striatum sa podieľa na regulácii svalového tonusu, vnútorných orgánov a behaviorálnych reakcií; Striatum sa tiež nazýva "striatum" kvôli jeho štruktúre striedajúcich sa pásov šedej a bielej hmoty.
DMS demonštruje nervové reakcie spojené s rozhodovaním a konaním vo vzťahu k priestorovej navigácii, takže táto oblasť mozgu by sa mala študovať podrobnejšie.
Výsledky štúdie
Aby sa určila prítomnosť/neprítomnosť egocentrickej priestorovej informácie v striate (DMS), 4 samcom potkanov bolo implantovaných až 16 tetrod (špeciálnych elektród pripojených k požadovaným oblastiam mozgu) zameraných na DMS (1).
Obrázok č. 1: Reakcia striatálnych buniek na hranice prostredia v egocentrickom referenčnom rámci.
Vysvetlivky k obrázku č. 1:а - body umiestnenia tetrod;
b - egocentrická mapa hraníc;
с — alocentrické priestorové mapy (4 štvorce vľavo), farebne kódované grafy trajektórie umiestnení vrcholov bunkovej odozvy vzhľadom na polohu tela a egocentrické mapy (4 štvorce vpravo) založené na odozve buniek EBC v rôznych orientáciách a vzdialenostiach medzi krysa a stena;
d - syn 1s, ale pre EBC s preferovanou vzdialenosťou od zvieraťa;
e - syn 1s, ale pre dve inverzné EBC;
f — rozdelenie priemernej výslednej dĺžky pre pozorované bunky;
g - rozdelenie priemernej výslednej dĺžky pre EBC pomocou smeru pohybu a smeru hlavy;
h — rozdelenie priemernej odozvy buniek (celková a EBC).
Uskutočnilo sa 44 experimentov, keď potkany zbierali náhodne roztrúsenú potravu v priestore, ktorý im je známy (otvorený, nie v bludisku). Výsledkom bolo zaznamenaných 939 buniek. Zo zozbieraných údajov sa zistila prítomnosť 31 buniek v smere hlavy (HDC), avšak len malá časť buniek, presnejšie 19, mala alocentrické priestorové koreláty. Zároveň aktivita týchto buniek obmedzená obvodom prostredia bola pozorovaná len pri pohybe potkana po stenách testovacej komory, čo naznačuje egocentrickú schému kódovania hraníc priestoru.
Na posúdenie možností takejto egocentrickej reprezentácie boli na základe indikátorov maximálnej bunkovej aktivity vytvorené egocentrické hraničné mapy (1b), ktoré znázorňujú orientáciu a vzdialenosť hraníc vzhľadom na smer pohybu potkana, a nie polohu jeho hlavy (porovnanie s 1g).
18 % zachytených buniek (171 z 939) vykazovalo významnú odpoveď, keď hranica komory zaujala určitú polohu a orientáciu vzhľadom na subjekt (1f). Vedci ich nazvali egocentrické hraničné bunky (EBC). egocentrické hraničné bunky). Počet takýchto buniek u experimentálnych subjektov sa pohyboval od 15 do 70 s priemerom 42.75 (1c, 1d).
Medzi bunkami egocentrických hraníc boli také, ktorých aktivita sa v reakcii na hranice komory znížila. Celkovo ich bolo 49 a nazývali sa inverzné EBC (iEBC). Priemerný index odozvy buniek (ich akčný potenciál) v EBC a iEBC bol dosť nízky - 1,26 ± 0,09 Hz (1h).
Populácia EBC reaguje na všetky orientácie a polohy hranice komory vzhľadom na subjekt, ale distribúcia preferovanej orientácie je bimodálna s vrcholmi umiestnenými 180° oproti sebe na oboch stranách zvieraťa (-68° a 112°), pričom mierne posunuté od kolmice k dlhej osi zvieraťa o 22° (2d).
Obrázok č. 2: Výhodná orientácia a rozstup pre odozvu egocentrickej hraničnej bunky (EBC).
Vysvetlivky k obrázku č. 2:a - egocentrické hraničné mapy pre štyri súčasne študované EBC s rôznymi preferovanými orientáciami uvedenými nad každým grafom;
b - poloha tetrod v súlade s článkami z 2 (čísla označujú číslo tetrody);
с — rozdelenie pravdepodobnosti preferovaných orientácií pre všetky EBC jedného potkana;
d — rozdelenie pravdepodobnosti preferovaných orientácií pre EBC všetkých potkanov;
е - poloha tetód pre články zobrazené v 2f;
f — egocentrické hraničné mapy pre šesť súčasne zaznamenaných EBC s rôznymi preferovanými vzdialenosťami uvedenými nad každým grafom;
g je rozdelenie pravdepodobnosti preferovanej vzdialenosti pre všetky EBC jedného potkana;
h je rozdelenie pravdepodobnosti preferovanej vzdialenosti pre EBC všetkých potkanov;
i - polárny graf preferovanej vzdialenosti a preferovanej orientácie pre všetky EBC s veľkosťou priestoru reprezentovanou farbou a priemerom bodu.
Distribúcia preferovanej vzdialenosti k hranici obsahovala tri vrcholy: 6.4, 13.5 a 25.6 cm, čo naznačuje prítomnosť troch rôznych preferovaných vzdialeností medzi EBC (2f-2h), ktoré môžu byť dôležité pre stratégiu hierarchického navigačného vyhľadávania. Veľkosť prijímacích polí EBC sa zväčšovala s preferovanou vzdialenosťou (2i), čo naznačuje zvýšenie presnosti egocentrickej reprezentácie hraníc, keď sa vzdialenosť medzi stenou a subjektom znižuje.
Neexistovala jasná topografia v preferovanej orientácii ani vzdialenosti, pretože aktívne EBC subjektu s rôznymi orientáciami a vzdialenosťami od steny sa objavili na rovnakej tetrode (2a, 2b, 2e и 2f).
Tiež sa zistilo, že EBC stabilne reagujú na hranice priestoru (steny komôr) v akýchkoľvek testovacích komorách. Aby sa potvrdilo, že EBC reagujú skôr na miestne hranice komory než na jej distálne znaky, vedci „otočili“ polohu kamery o 45° a urobili niekoľko stien čiernymi, čím sa líšili od tých, ktoré boli použité v predchádzajúcich testoch.
Údaje sa zbierali v konvenčnej testovacej komore aj v rotovanej komore. Napriek zmene v testovacej komore zostali všetky preferované orientácie a vzdialenosti vzhľadom na steny testovaných subjektov EBC rovnaké.
Vzhľadom na dôležitosť uhlov sa zvažovala aj možnosť, že EBC jedinečne kódujú tieto miestne environmentálne atribúty. Izoláciou rozdielu medzi odpoveďou v blízkosti rohov a odpoveďou blízko stredu steny bola identifikovaná podskupina buniek EBC (n = 16; 9,4 %), ktoré vykazujú zvýšenú odpoveď na rohy.
Môžeme teda urobiť predbežný záver, že práve bunky EBC dokonale reagujú na obvod komory, teda na steny testovacej komory a jej rohy.
Ďalej vedci testovali, či je odozva buniek EBC na otvorený priestor (testovacia aréna bez bludiska, teda len 4 steny) rovnaká pre rôzne veľkosti testovacej miestnosti. Uskutočnili sa tri návštevy, pri každej sa dĺžka stien líšila od predchádzajúcich o 3 cm.
Bez ohľadu na veľkosť testovacej komory EBC reagoval na jej hranice v rovnakej vzdialenosti a orientácii vzhľadom na testovaný subjekt. To naznačuje, že odozva sa neškáluje s veľkosťou prostredia.
Obrázok č. 3: stabilná reakcia buniek EBC na hranice priestoru.
Vysvetlivky k obrázku č. 3:а — egocentrické EBC mapy za normálnych podmienok (vľavo) a keď bola testovacia komora otočená o 45° (vpravo);
b — egocentrické mapy EBC pre komoru s rozmermi 1.25 x 1.25 m (vľavo) a pre zväčšenú komoru 1.75 x 1.75 m (vpravo);
с — egocentrické mapy EBC s obyčajnými stenami čiernej komory (vľavo) a so vzorovanými stenami (vpravo);
d-f - grafy preferovanej vzdialenosti (hore) a zmien preferovanej orientácie vo vzťahu k základnej čiare (dole).
Keďže striatum dostáva informácie o prostredí z viacerých oblastí zrakovej kôry, vedci testovali aj to, či je ovplyvnený vzhľad stien (3s) komory na reakciu buniek EBC.
Zmena vzhľadu hraníc priestoru nemala žiadny vplyv na reakciu buniek EBC a vzdialenosť a orientáciu potrebnú na reakciu vzhľadom na subjekt.
Obrázok č. 4: Stabilita reakcie buniek EBC bez ohľadu na prostredie.
Vysvetlivky k obrázku č. 4:а — egocentrické mapy pre EBC v známom (vľavo) a novom (vpravo) prostredí;
b - egocentrické mapy pre EBC získané v rovnakom prostredí, ale s časovým odstupom;
с - Grafy preferovanej vzdialenosti (hore) a zmeny preferovanej orientácie vo vzťahu k základnej čiare (dole) pre nové (neznáme) prostredia;
d - grafy preferovanej vzdialenosti (hore) a zmeny preferovanej orientácie vo vzťahu k základnej čiare (dole) pre predtým študované (známe) prostredia.
Zistilo sa tiež, že odozva buniek EBC, ako aj požadovaná orientácia a vzdialenosť vzhľadom na subjekt sa časom nemenia.
Tento „dočasný“ test sa však uskutočnil v tej istej testovacej komore. Bolo tiež potrebné skontrolovať, aký je rozdiel medzi reakciou EBC na známe podmienky a na nové. K tomu bolo vykonaných niekoľko návštev, kedy potkany študovali komoru, ktorú už poznajú z predchádzajúcich testov, a potom nové komory s otvoreným priestorom.
Ako ste možno uhádli, odozva buniek EBC + požadovaná orientácia/vzdialenosť zostala v nových komorách nezmenená (4a, 4c).
Reakcia EBC teda poskytuje stabilnú reprezentáciu hraníc prostredia vzhľadom na testovaný subjekt vo všetkých typoch tohto prostredia, bez ohľadu na vzhľad stien, plochu testovacej komory, jej pohyb a čas strávený testovanou osobou v komore.
Pre podrobnejšie oboznámenie sa s nuansami štúdie odporúčam pozrieť и jemu.
Epilóg
V tejto práci sa vedcom podarilo v praxi potvrdiť teóriu o egocentrickej reprezentácii prostredia, ktorá je mimoriadne dôležitá pre orientáciu v priestore. Dokázali, že medzi alocentrickou priestorovou reprezentáciou a skutočným pôsobením existuje prechodný proces, na ktorom sa podieľajú určité bunky striata, nazývané egocentrické hraničné bunky (EBC). Zistilo sa tiež, že EBC súviseli viac s kontrolou pohybu celého tela, a nielen hlavy subjektov.
Táto štúdia bola zameraná na určenie úplného mechanizmu orientácie v priestore, všetkých jeho zložiek a premenných. Táto práca podľa vedcov ešte viac pomôže zlepšiť navigačné technológie pre autonómne autá a pre roboty, ktoré dokážu porozumieť priestoru okolo seba, ako to robíme my. Výskumníci sú mimoriadne nadšení z výsledkov svojej práce, ktoré dávajú dôvod pokračovať v skúmaní vzťahu medzi určitými oblasťami mozgu a tým, ako sa priestor naviguje.
Ďakujem za pozornosť, buďte zvedaví a prajeme všetkým pekný týždeň! 🙂
Ďakujeme, že ste zostali s nami. Páčia sa vám naše články? Chcete vidieť viac zaujímavého obsahu? Podporte nás zadaním objednávky alebo odporučením priateľom, 30% zľava pre užívateľov Habr na unikátny analóg serverov základnej úrovne, ktorý sme pre vás vymysleli: (k dispozícii s RAID1 a RAID10, až 24 jadier a až 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 krát lacnejší? Len tu v Holandsku! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB – od 99 USD! Čítať o
Zdroj: hab.com