Rörelse Àr livet. Denna mening kan tolkas som en motivation att röra sig framÄt, att inte stÄ stilla och att nÄ det önskade, och som en konstaterande fakta att nÀstan alla levande varelser tillbringar större delen av sitt liv i rörelse. För att vÄra rörelser och förflyttningar i rummet varje gÄng inte ska avslutas med blÄmÀrken i pannan och stukade smÄtÄr, anvÀnder vÄr hjÀrna bevarade "kartor" över omgivningen som omedvetet dyker upp i samband med vÄr rörelse. Det finns dock en Äsikt att hjÀrnan tillÀmpar dessa kartor inte utifrÄn, utan placerar mÀnniskan pÄ denna karta och samlar in data sett frÄn första personen. Detta koncept beslutade forskare vid Boston University att bevisa genom att genomföra en serie praktiska försök med laboratoriemöss. Hur orienterar sig hjÀrnan i rummet, vilka celler Àr involverade i processen och vilken roll spelar denna forskning för framtiden för autonoma fordon och robotar? Det kommer vi att fÄ veta i rapporten frÄn forskargruppen. LÄt oss börja.
Forskningsgrund
SÄ, det som faststÀlldes för mÄnga Är sedan Àr att den huvudsakliga delen av hjÀrnan som ansvarar för rumslig orientering Àr hippocampus.
Hippocampus Àr involverad i mÄnga olika processer: bildandet av kÀnslor, omvandlingen av korttidsminnet till lÄngtidsminnet och bildandet av rumsligt minne. Just det senare Àr kÀllan till de dÀr "kartorna" som vÄr hjÀrna hÀmtar upp nÀr det behövs för en mer effektiv orientering i rummet. Med andra ord lagras i hippocampus tredimensionella neuronala modeller av det rum dÀr hjÀrnans Àgare befinner sig.
Hippocampus
Det finns en teori som hĂ€vdar att det finns ett mellanliggande steg mellan faktisk navigering och kartorna frĂ„n hippocampus â omvandlingen av dessa kartor till ett perspektiv frĂ„n första personen. Det innebĂ€r att en person försöker förstĂ„ var saker ligger, inte generellt (som vi ser pĂ„ riktiga kartor), utan var nĂ„got kommer att ligga i förhĂ„llande till sig sjĂ€lv (som funktionen "gatuutsikt" i Google Maps).
Författarna till det verk vi granskar betonar följande: Kognitiva kartor av omgivningen kodas i hippocampusformationen i ett alloketiskt system, men motorik (sjÀlva rörelserna) representeras i ett egocentriskt system.
UFO: Enemy Unknown (alloketiskt system) och DOOM (egocentriskt system).
Skillnaden mellan alloketiska och egocentriska system pĂ„minner om skillnaden mellan tredje persons spel (eller sidovyn, ovanifrĂ„n, etc.) och första persons spel. I det första fallet Ă€r miljön viktig för oss, i det andra â vĂ„r position i förhĂ„llande till denna miljö. PĂ„ sĂ„ sĂ€tt mĂ„ste alloketiska navigeringsplaner omvandlas till det egocentriska systemet för faktisk implementering, det vill sĂ€ga för rörelse i rummet.
Forskare anser att den dorsomediala striatum (DMS)* spelar en avgörande roll i den ovan beskrivna processen.
Striatum i mÀnniskans hjÀrna.
Striatum* Àr en del av hjÀrnan som hör till de basala kÀrnorna; striatum deltar i reglering av muskeltonus, inre organ och beteendereaktioner; striatum kallas ocksÄ "stripigt kropp" pÄ grund av sin struktur med vÀxlande rÀnder av grÄ och vit substans.
DMS uppvisar neurala svar kopplade till beslutsfattande och utförande av handlingar relaterade till navigation i rummet, dÀrför bör detta omrÄde av hjÀrnan studeras mer i detalj.
Forskningsresultat
För att bestÀmma förekomsten/uppkomsten av egocentrisk rumslig information i striatum (DMS), implanterades 4 hankatter med upp till 16 tetroder (speciella elektroder anslutna till nödvÀndiga hjÀrnomrÄden) riktade mot DMS (1a).
Bild nr 1: cellernas reaktion i striatum pÄ omgivningens grÀnser i ett egocentriskt referenssystem.
Förklaringar till bild nr 1:Mer Ă€n 40 000 kunder i över 120 lĂ€nder â placering av tetroder;
b â egocentrisk karta över grĂ€nser;
med â alloketiska rumsliga kartor (4 rutor till vĂ€nster), diagram med fĂ€rgkodade spĂ„r av cellernas reaktioner i förhĂ„llande till kroppens position och egocentriska kartor (4 rutor till höger) baserat pĂ„ cellernas reaktioner frĂ„n EBC vid olika orienteringar och avstĂ„nd mellan ratten och vĂ€ggen;
d â som pĂ„ 1C, men för EBC med föredragna avstĂ„nd, bort frĂ„n djuret;
e â som pĂ„ 1C, men för tvĂ„ bakĂ„triktade EBC;
f â fördelning av den genomsnittliga resulterande lĂ€ngden för observerade celler;
g â fördelning av den genomsnittliga resulterande lĂ€ngden för EBC med anvĂ€ndning av rörelsens riktning och huvudets riktning;
h â fördelning av den genomsnittliga responsen frĂ„n celler (bĂ„de alla och EBC).
Totalt genomfördes 44 experiment dÀr rÄttor samlade slumpmÀssigt utspridd mat i en bekant miljö (öppen, inte i labyrinten). I resultatet registrerades 939 celler. Av de insamlade uppgifterna faststÀlldes nÀrvaron av 31 huvudriktningens celler (HDC), men endast en liten del av cellerna, exakt 19, hade allocentriska rumsliga korrelat. Aktiviteten hos dessa celler, begrÀnsad av miljöns omkrets, observerades endast under rÄttans rörelse lÀngs vÀggarna i testkamman, vilket tyder pÄ ett egocentriskt mönster av rumslig grÀnskodning.
För att bedöma kapaciteten hos en sÄdan egocentrisk representation baserat pÄ toppaktivitetsnivÄerna hos cellerna skapades egocentriska grÀnskartor (1b), som illustrerar orienteringen och avstÄndet till grÀnserna i förhÄllande till rÄttans rörelse, snarare Àn positionen av dess huvud (jÀmförelse pÄ 1g).
18% av de registrerade cellerna (171 av 939) visade en betydande respons nĂ€r kamera grĂ€nsen intog en viss position och orientering i förhĂ„llande till subjektet (1f). Forskare kallade dem egocentriska grĂ€nsceller (EBC â egocentric boundary cells). Antalet sĂ„dana celler hos försöksdjuren varierade frĂ„n 15 till 70 med ett genomsnittligt vĂ€rde pĂ„ 42,75 (1c, 1d).
Bland de egocentriska grĂ€nscellerna fanns sĂ„dana vars aktivitet minskade som svar pĂ„ kamerans grĂ€nser. Totalt var de 49 och kallades bakĂ„triktade EBC (iEBC). Det genomsnittliga reaktionsvĂ€rdet för cellerna (deras aktionspotential) hos EBC och iEBC var relativt lĂ„gt â 1,26 ± 0,09 Hz (1h).
Populationscellernas respons pÄ EBC reagerar pÄ alla orienteringar och positioner för kamerans grÀns i förhÄllande till subjektet, men fördelningen av den föredragna orienteringen Àr bimodal med toppar som ligger 180° mot varandra pÄ bÄda sidor om djuret (-68° och 112°), nÄgot förskjuten frÄn perpendikeln till djurets lÄngaxel med 22° (2d).
Bild nr 2: föredragen orientering och avstÄnd för responsen frÄn egocentriska grÀnsceller (EBC).
Förklaringar till bild nr 2:a â egocentriska grĂ€nskartor för fyra samtidigt undersökta EBC med olika föredragna orienteringar, angivna ovanför varje graf;
b â positionen för tetroder i enlighet med cellerna frĂ„n 2a (nummer anger tetroderns nummer);
med â fördelningen av sannolikheter för föredragna orienteringar för alla EBC hos en rĂ„tta;
d â fördelningen av sannolikheter för föredragna orienteringar för EBC hos alla rĂ„ttor;
e â positionen för tetroder för cellerna, visade pĂ„ 2f;
f â egocentriska grĂ€nskartor för sex samtidigt inspelade EBC med olika föredragna avstĂ„nd, angivna ovanför varje graf;
g â fördelningen av sannolikheter för föredraget avstĂ„nd för alla EBC hos en rĂ„tta;
h â fördelningen av sannolikheter för föredraget avstĂ„nd för EBC hos alla rĂ„ttor;
i â polĂ€r graf för föredraget avstĂ„nd och föredragen orientering för alla EBC, dĂ€r rymdstorleken representeras av fĂ€rg och punktens diameter.
Fördelningen av föredraget avstĂ„nd till grĂ€nsen hade tre toppar: 6.4, 13.5 och 25.6 cm, vilket indikerar förekomsten av tre olika föredragna avstĂ„nd mellan EBC (2fâ2h), vilket kan vara viktigt för strategin för hierarkisk navigering. Storleken pĂ„ receptiva fĂ€lt för EBC ökar beroende pĂ„ det föredragna avstĂ„ndet (2i), vilket indikerar en ökning av noggrannheten i den egocentriska representationen av grĂ€nser nĂ€r avstĂ„ndet mellan vĂ€ggen och subjektet minskar.
Varken i föredragen orientering eller avstÄnd fanns det nÄgon tydlig topografi, eftersom aktiva EBC hos subjektet med olika orienteringar och avstÄnd i förhÄllande till vÀggen dök upp pÄ samma tetrod (2a, 2b, 2e och 2f).
Det konstaterades ocksÄ att EBC konsekvent reagerar pÄ rymdgrÀnser (vÀggarna i kamrarna) oavsett variationerna i testkammare. För att bekrÀfta att EBC reagerar pÄ lokala grÀnser i kameran och inte pÄ dess distala egenskaper, "vÀnde" forskarna kamerans position 45° och mÄlade nÄgra vÀggar svarta, vilket gjorde den olika frÄn den som anvÀndes i tidigare tester.
Data collected in both the standard test chamber and the rotated chamber. Despite the change in the test chamber, the preferred orientations and distances relative to the walls for the EBC subjects remained unchanged.
Given the importance of angles, the possibility that EBC uniquely encodes these local environmental attributes was also considered. By isolating the difference in response near the corners and in the middle of the wall, a subset of EBC cells (n = 16; 9.4%) was identified that exhibited increased responsiveness to corners.
Thus, a preliminary conclusion can be made that EBC cells react strongly to the perimeter of the chamber, meaning the walls of the test chamber and its corners.
Next, researchers checked whether the response of EBC cells to open space (a testing arena without a labyrinth, i.e., just four walls) was the same with different sizes of the testing environment. Three trials were conducted, each varying wall length by 50 cm from the previous one.
Regardless of the size of the test chamber, EBC responded to its boundaries at the same distance and orientation relative to the subject. This indicates no scaling of response based on the size of the surrounding environment.
Figure 3: stable response of EBC cells to the boundaries of the space.
Explanations for Figure 3:Mer Ă€n 40 000 kunder i över 120 lĂ€nder â egocentric maps of EBC under normal conditions (left) and with the test chamber rotated at 45° (right);
b â egocentric maps of EBC for a chamber sized 1.25 x 1.25 m (left) and for an enlarged chamber 1.75 x 1.75 m (right);
med â egocentric maps of EBC with standard black walls (left) and with patterned walls (right);
dâf â graphs of preferred distance (top) and changes in preferred orientation relative to the baseline (bottom).
Since the striped body receives information about the environment from several areas of the visual cortex, researchers also checked if the appearance of the walls (3s) of the chamber affected the response of EBC cells.
Changes in the appearance of the boundaries of the space did not affect the response of EBC cells or the required distance and orientation for the response relative to the subject.
Figure 4: stability of the response of EBC cells regardless of the environment.
Förklaring till bild nr 4:Mer Ă€n 40 000 kunder i över 120 lĂ€nder â egocentriska kartor för EBC i den bekanta (till vĂ€nster) och nya (till höger) miljön;
b â egocentriska kartor för EBC, erhĂ„llna i samma miljö men med en tidsintervall;
med â diagram över föredraget avstĂ„nd (överst) och förĂ€ndringar i föredragen orientering i förhĂ„llande till referenslinjen (nederst) för nya (okĂ€nda) miljöer;
d â diagram över föredraget avstĂ„nd (överst) och förĂ€ndringar i föredragen orientering i förhĂ„llande till referenslinjen (nederst) för tidigare studie (kĂ€nda) miljöer.
Det konstaterades ocksÄ att cellernas reaktioner i EBC, liksom den nödvÀndiga orienteringen och avstÄndet i förhÄllande till subjektet, förblir oförÀndrade över tid.
Denna "tids"-testning genomfördes dock i samma testkammare. Det var ocksÄ nödvÀndigt att kontrollera vad som skiljer EBC:s reaktioner pÄ kÀnda förhÄllanden och pÄ nya. För detta genomfördes flera försök dÀr rÄttor undersökte en kammare som de redan kÀnde frÄn tidigare tester, följt av nya kammare med öppna utrymmen.
Som du redan gissat, förblev EBC:s reaktion + den nödvÀndiga orienteringen/avstÄndet oförÀndrade i de nya kammare (4a, 4c).
SÄledes ger EBC:s reaktion en stabil representation av miljöns grÀnser i förhÄllande till subjektet i alla typer av denna miljö, oavsett vÀggarnas utseende, storleken pÄ testkammaren, dess rörelse och tiden som tillbringas av subjektet i kammaren.
För en mer detaljerad förstÄelse av forskningsdetaljerna rekommenderar jag att du tittar in i och till detta.
Epilog
I detta arbete har forskarna praktiskt bekrÀftat teorin om egocentrisk representation av den omgivande miljön, vilket Àr extremt viktigt för rumslig orientering. De har bevisat att det finns en mellanliggande process mellan allokentriska rumsliga representationer och verkligt agerande, dÀr vissa celler i det randiga kroppen, kallade egocentriska grÀnsceller (EBC), deltar. Det har ocksÄ faststÀllts att EBC Àr mer kopplade till kroppens rörelsekontroll snarare Àn bara huvudet hos subjekten.
Denna studie syftade till att faststÀlla den fullstÀndiga mekanismen för rumslig orientering, dess alla komponenter och variabler. Detta arbete, enligt forskarna, kommer i framtiden att hjÀlpa till att förbÀttra navigeringstekniker för autonoma fordon och för robotar som kan förstÄ sin omgivning pÄ samma sÀtt som vi gör. Forskare Àr mycket nöjda med resultaten av sitt arbete, som ger skÀl att fortsÀtta studera sambandet mellan specifika delar av hjÀrnan och hur navigering i rummet Àger rum.
Tack för uppmĂ€rksamheten, förbliv nyfikna och ha en bra arbetsvecka, grabbar! đ
Tack för att ni stannar med oss. Gillar ni vÄra artiklar? Vill ni se mer intressant material? Stöd oss genom att göra en bestÀllning eller rekommendera oss till vÀnner, 30% rabatt för Habr-anvÀndare pÄ vÄrt unika alternativ till entry-level servrar, som vi har designat för er: (alternativ med RAID1 och RAID10 finns tillgÀngliga, upp till 24 kÀrnor och upp till 40GB DDR4).
Dell R730xd till halva priset? Bara hos oss i NederlĂ€nderna! Dell R420 â 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB â frĂ„n $99! LĂ€s om
KĂ€lla: habr.com
