Rörelse är livet. Denna fras kan tolkas både som en motivation att gå framåt, att inte stå still och uppnå det man vill, och som ett konstaterande av att nästan alla levande varelser är i rörelse större delen av sina liv. För att säkerställa att våra rörelser och rörelser i rymden inte slutar med stötar på pannan och trasiga lillfingrar på benen varje gång, använder vår hjärna de sparade "kartorna" över miljön som omedvetet dyker upp i ögonblicket av vår rörelse . Det finns dock en uppfattning om att hjärnan inte applicerar dessa kort utifrån, så att säga, utan genom att placera en person på detta kort och samla in data när den ses från första person. Forskare från Boston University bestämde sig för att bevisa denna teori genom att utföra en serie praktiska experiment med laboratorieråttor. Hur navigerar egentligen hjärnan i rymden, vilka celler är inblandade och vilken roll spelar denna forskning för framtiden för autonoma bilar och robotar? Vi lär oss om detta från forskargruppens rapport. Gå.
Forskningsunderlag
Så det faktum som konstaterades för många år sedan är att huvuddelen av hjärnan som är ansvarig för orientering i rymden är hippocampus.
Hippocampus är involverat i en mängd olika processer: bildandet av känslor, omvandlingen av korttidsminne till långtidsminne och bildandet av rumsminne. Det är den senare som är källan till just de "kartor" som vår hjärna kallar i rätt ögonblick för effektivare orientering i rymden. Med andra ord lagrar hippocampus tredimensionella neurala modeller av utrymmet där hjärnans ägare befinner sig.
Hippocampus
Det finns en teori som säger att det finns ett mellansteg mellan faktisk navigering och kartor från hippocampus - omvandlingen av dessa kartor till en förstapersonsvy. Det vill säga, en person försöker förstå var något inte alls finns (som vi ser på riktiga kartor), utan var något kommer att placeras i förhållande till honom (som funktionen "street view" i Google Maps).
Författarna till det arbete vi överväger framhåller följande: Kognitiva kartor över miljön är kodade i hippocampus-formationen i det allocentriska systemet, men motoriken (rörelserna i sig) är representerade i det egocentriska systemet.
UFO: Enemy Unknown (allocentriskt system) och DOOM (egocentriskt system).
Skillnaden mellan allocentriska och egocentriska system är som skillnaden mellan tredjepersonsspel (eller sidovy, ovanifrån, etc.) och förstapersonsspel. I det första fallet är själva miljön viktig för oss, i det andra vår position i förhållande till denna miljö. Alltså måste allocentriska navigationsplaner omvandlas till ett egocentriskt system för faktisk genomförande, d.v.s. rörelse i rymden.
Forskare tror att det är den dorsomediala striatum (DMS)* spelar en viktig roll i ovanstående process.
Den mänskliga hjärnans striatum.
Striatum* - del av hjärnan som tillhör basalganglierna; striatum är involverat i regleringen av muskeltonus, inre organ och beteendemässiga reaktioner; Striatum kallas också "striatum" på grund av dess struktur av alternerande band av grå och vit substans.
DMS visar de neurala svar som är förknippade med beslutsfattande och handling i relation till rumslig navigering, så denna region av hjärnan bör studeras mer i detalj.
Forskningsresultat
För att bestämma närvaron/frånvaron av egocentrisk rumslig information i striatum (DMS), implanterades fyra hanråttor med upp till 4 tetroder (speciella elektroder kopplade till de önskade områdena i hjärnan) riktade mot DMS (1a).
Bild #1: Striatal cellrespons på miljögränser i en egocentrisk referensram.
Förklaringar till bild #1:а - Platser för tetroder;
b - egocentrisk karta över gränser;
с — Allocentriska rumsliga kartor (4 rutor till vänster), färgkodade bandiagram över cellresponstoppplatser i förhållande till kroppsposition och egocentriska kartor (4 rutor till höger) baserade på responsen från EBC-celler vid olika orienteringar och avstånd mellan råttan och väggen;
d - en son 1s, men för EBC med föredragna avstånd från djuret;
e - en son 1s, men för två omvända EBC;
f — Fördelning av den genomsnittliga resulterande längden för de observerade cellerna.
g - fördelningen av den genomsnittliga resulterande längden för EBC med hjälp av rörelseriktningen och huvudets riktning;
h — Fördelning av medelsvaret hos celler (totalt och EBC).
Fyrtiofyra experiment utfördes när råttor samlade slumpmässigt spridd mat i ett utrymme som de kände igen (öppet, inte i en labyrint). Som ett resultat registrerades 44 celler. Från insamlade data fastställdes närvaron av 939 huvudriktningsceller (HDC), men endast en liten del av cellerna, och mer exakt 31, hade allocentriska rumsliga korrelat. Samtidigt observerades aktiviteten hos dessa celler, begränsad av omkretsen av miljön, endast under råttans rörelse längs testkammarens väggar, vilket antyder ett egocentriskt schema för att koda rymdens gränser.
För att bedöma möjligheterna med en sådan egocentrisk representation, baserade på toppcellaktivitetsindikatorer, skapades egocentriska gränskartor (1b), som illustrerar gränsernas orientering och avstånd i förhållande till råttans rörelseriktning och inte huvudets position (jämfört med 1g).
18 % av de fångade cellerna (171 av 939) visade en signifikant respons när kammargränsen upptog en viss position och orientering i förhållande till motivet (1f). Forskare kallade dem egocentriska gränsceller (EBC). egocentriska gränsceller). Antalet sådana celler i försökspersonerna varierade från 15 till 70 med ett genomsnitt på 42.75 (1c, 1d).
Bland cellerna i de egocentriska gränserna fanns de vars aktivitet minskade som svar på kammarens gränser. Det fanns 49 totalt och de kallades inversa EBCs (iEBCs). Det genomsnittliga indexet för cellsvar (deras aktionspotential) i EBC och iEBC var ganska lågt - 1,26 ± 0,09 Hz (1h).
EBC-cellpopulationen svarar på alla orienteringar och positioner av kammargränsen i förhållande till försökspersonen, men fördelningen av föredragen orientering är bimodal med toppar belägna 180° mittemot varandra på vardera sidan av djuret (-68° och 112°), är något förskjuten från vinkelrät mot djurets längdaxel med 22° (2d).
Bild #2: Föredragen orientering och avstånd för egocentric boundary cell (EBC)-svar.
Förklaringar till bild #2:a - egocentriska gränskartor för fyra samtidigt studerade EBC med olika föredragna orienteringar indikerade ovanför varje graf;
b - tetrodernas position i enlighet med cellerna från 2a (siffrorna anger tetrodnumret);
с — Sannolikhetsfördelning av föredragna orienteringar för alla EBC från en råtta.
d — Sannolikhetsfördelning av föredragna orienteringar för EBC för alla råttor.
е - positionen för tetroderna för cellerna som visas i 2f;
f — Egocentriska gränskartor för sex samtidigt registrerade EBC med olika föredragna avstånd indikerade ovanför varje plot.
g är sannolikhetsfördelningen av det föredragna avståndet för alla EBC hos en råtta;
h är sannolikhetsfördelningen av det föredragna avståndet för EBC för alla råttor;
i - Polär plot av föredraget avstånd och föredragen orientering för alla EBC:er med rymdstorlek representerad av färg och prickdiameter.
Fördelningen av det föredragna avståndet till gränsen innehöll tre toppar: 6.4, 13.5 och 25.6 cm, vilket indikerar närvaron av tre olika föredragna avstånd mellan EBC (2f-2h) som kan vara viktigt för en hierarkisk navigeringssökstrategi. Storleken på de EBC-mottagliga fälten ökade med det föredragna avståndet (2i), vilket indikerar en ökning av noggrannheten i den egocentriska representationen av gränser när avståndet mellan väggen och motivet minskar.
Det fanns ingen tydlig topografi i både den föredragna orienteringen och avståndet, eftersom försökspersonens aktiva EBC:er med olika orienteringar och avstånd från väggen dök upp på samma tetrode (2a, 2b, 2e и 2f).
Det visade sig också att EBC reagerar stabilt på utrymmets gränser (kammarväggar) i alla testkammare. För att bekräfta att EBC:erna svarar på kammarens lokala gränser snarare än på dess distala egenskaper, "roterade" forskarna kamerapositionen med 45° och gjorde flera väggar svarta, vilket gjorde den annorlunda än de som användes i tidigare tester.
Data samlades in både i en konventionell testkammare och i en roterad. Trots förändringen i testkammaren förblev alla föredragna orienteringar och avstånd i förhållande till väggarna hos EBC-testpersonerna desamma.
Med tanke på vinklarnas betydelse övervägdes också möjligheten att EBC unikt kodar dessa lokala miljöegenskaper. Genom att isolera skillnaden mellan svaret nära hörnen och svaret nära mitten av väggen identifierades en undergrupp av EBC-celler (n = 16; 9,4%) som visar ett ökat svar på hörnen.
Således kan vi göra en mellanslutsats att det är EBC-cellerna som svarar perfekt mot kammarens omkrets, det vill säga testkammarens väggar och dess hörn.
Därefter testade forskarna om svaret från EBC-celler på ett öppet utrymme (en testarena utan en labyrint, det vill säga bara 4 väggar) är densamma för olika testrumsstorlekar. Tre besök gjordes, i vilka väggarnas längd skiljde sig från de föregående med 3 cm.
Oavsett storleken på testkammaren, svarade EBC på dess gränser på samma avstånd och orientering i förhållande till testpersonen. Detta indikerar att svaret inte skalar med storleken på omgivningen.
Bild #3: stabilt svar från EBC-celler på rymdgränser.
Förklaringar till bild #3:а — Egocentriska EBC-kartor under normala förhållanden (vänster) och när testkammaren roterades 45° (höger).
b — egocentriska EBC-kartor för en kammare som mäter 1.25 x 1.25 m (vänster) och för en förstorad kammare 1.75 x 1.75 m (höger);
с — egocentriska EBC-kartor med vanliga svarta kammarväggar (vänster) och med mönstrade väggar (höger);
d-f - grafer över det föredragna avståndet (överst) och förändringar i den föredragna orienteringen i förhållande till baslinjen (nederst).
Eftersom striatum får information om miljön från flera områden av synbarken, testade forskarna även om väggarnas utseende påverkas (3s) kammare för reaktionen av EBC-celler.
Att ändra utseendet på rymdens gränser hade ingen effekt på reaktionen hos EBC-cellerna och det avstånd och den orientering som krävdes för reaktionen i förhållande till individen.
Bild #4: Stabilitet av EBC-cellsvar oavsett miljö.
Förklaringar till bild #4:а — Egocentriska kartor för EBC i bekanta (vänster) och nya (höger) miljöer;
b - egocentriska kartor för EBC erhållna i samma miljö, men med ett tidsintervall;
с - Grafer över föredraget avstånd (överst) och förändring av föredragen orientering i förhållande till baslinjen (botten) för nya (okända) miljöer;
d - grafer över det föredragna avståndet (överst) och förändringen i föredragen orientering i förhållande till baslinjen (botten) för tidigare studerade (bekanta) miljöer.
Det visade sig också att responsen från EBC-celler, såväl som den erforderliga orienteringen och avståndet i förhållande till motivet, inte förändras över tiden.
Detta "tillfälliga" test utfördes emellertid i samma testkammare. Det var också nödvändigt att kontrollera vad som är skillnaden mellan EBC:s reaktion på kända förhållanden och på nya. För att göra detta genomfördes flera besök, då råttorna studerade kammaren, som de redan känner till från tidigare tester, och sedan nya kammare med öppet utrymme.
Som du kanske har gissat förblev svaret från EBC-cellerna + önskad orientering/avstånd oförändrad i de nya kamrarna (4a, 4c).
Således ger EBC-reaktionen en stabil representation av miljöns gränser i förhållande till testpersonen i alla typer av denna miljö, oavsett utseendet på väggarna, testkammarens yta, dess rörelse och den tid som testpersonen tillbringar i kammaren.
För en mer detaljerad bekantskap med studiens nyanser rekommenderar jag att titta på и till honom.
Epilog
I detta arbete lyckades forskare i praktiken bekräfta teorin om den egocentriska representationen av miljön, vilket är extremt viktigt för orientering i rymden. De bevisade att det finns en mellanprocess mellan allocentrisk rumslig representation och faktisk handling, där vissa celler i striatum, kallade egocentriska gränsceller (EBC), deltar. Det visade sig också att EBC var mer relaterade till kontrollen av rörelsen i hela kroppen, och inte bara huvudet på försökspersonerna.
Denna studie syftade till att bestämma den fullständiga mekanismen för orientering i rymden, alla dess komponenter och variabler. Detta arbete, enligt forskare, kommer att ytterligare bidra till att förbättra navigeringstekniken för autonoma bilar och för robotar som kan förstå utrymmet runt dem, som vi gör. Forskarna är oerhört spända på resultatet av deras arbete, som ger anledning att fortsätta studera sambandet mellan vissa områden i hjärnan och hur rymden navigeras.
Tack för din uppmärksamhet, var nyfiken och ha en bra vecka alla! 🙂
Tack för att du stannar hos oss. Gillar du våra artiklar? Vill du se mer intressant innehåll? Stöd oss genom att lägga en beställning eller rekommendera till vänner, 30 % rabatt för Habr-användare på en unik analog av nybörjarservrar, som uppfanns av oss för dig: (tillgänglig med RAID1 och RAID10, upp till 24 kärnor och upp till 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 gånger billigare? Bara här i Nederländerna! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - från $99! Läs om
Källa: will.com