Рух це життя. Цю фразу можна інтерпретувати як мотивацію рухатися вперед, не стояти дома і досягати бажаного, як і констатацію факту, що майже всі живі істоти більшість життя перебувають у русі. Для того, щоб наші рухи та переміщення у просторі щоразу не закінчувалися шишками на лобі та розбитими мізинчиками на ногах, наш мозок використовує збережені «картки» навколишнього середовища, які несвідомо спливають у момент нашого руху. Однак, є думка, що мозок застосовує ці карти не з боку, так би мовити, а поміщаючи людину на цю карту і збираючи дані, побачивши від першої особи. Довести цю теорію вирішили вчені з університету Бостона, провівши ряд практичних дослідів з лабораторними щурами. Як же насправді мозок орієнтується в просторі, які при цьому використовуються клітини, і яку роль це дослідження грає для майбутнього автономних автомобілів і роботів? Про це ми дізнаємось із доповіді дослідницької групи. Поїхали.
Основа дослідження
Отже, встановлений багато років тому факт полягає в тому, що основною частиною мозку, що відповідає за орієнтацію у просторі, є гіпокамп.
Гіпокамп бере участь у різних процесах: формування емоцій, перетворення короткочасної пам'яті в довгострокову і формування просторової пам'яті. Саме остання і є джерелом тих самих "карт", які наш мозок у потрібний момент викликає для більш ефективної орієнтації у просторі. Тобто в гіпокампі зберігаються тривимірні нейронні моделі простору, всередині якого знаходиться власник мозку.
гіпокамп
Існує теорія, яка стверджує, що між фактичною навігацією та картами з гіпокампу є проміжний етап - перетворення цих карт на вигляд від першої особи. Тобто людина намагається зрозуміти де що розташоване не взагалі (як ми бачимо на справжніх картах), а де що буде розташовано щодо її самої (як функція «перегляд вулиць» у Google Maps).
Автори аналізованої нами праці підкреслюють наступне: Когнітивні карти навколишнього середовища кодуються в гіпокампальній формації в алоцентричній системі, але моторика (самі рухи) представлені в егоцентричній системі.
UFO: Enemy Unknown (алоцентрична система) та DOOM (егоцентрична система).
Різниця між алоцентричною та егоцентричною системами нагадує різницю між іграми від третьої особи (або від виду збоку, зверху і т.д.) та іграми з виглядом від першої особи. У першому випадку для нас важливе саме оточення, у другому — наше становище щодо цього оточення. Отже, алоцентрические навігаційні плани би мало бути перетворені на егоцентричну систему для фактичної реалізації, тобто. переміщення у просторі.
Дослідники вважають, що саме дорсомедіальний стріатум (DMS)* грає найважливішу роль вищеописаному процесі.
Смугасте тіло мозку людини.
Стріатум* - частина мозку, що відноситься до базальних ядр; стріатум бере участь у регуляції м'язового тонусу, внутрішніх органів та поведінкових реакцій; Стріатум також називають «смугасте тіло» через його структуру з смуг сірого і білого речовини, що чергуються.
DMS демонструє нейронні відповіді, пов'язані з прийняттям рішень та виконанням дій щодо навігації у просторі, тому цю ділянку мозку слід вивчити докладніше.
Результати дослідження
Щоб визначити наявність/відсутність егоцентричної просторової інформації в смугастому тілі (DMS), 4 самцям щурів імплантували до 16 тетродів (спеціальні електроди, що підключаються до потрібних ділянок мозку), націлених на DMS (1а).
Зображення №1: реакція клітин смугастого тіла на межі навколишнього середовища в егоцентричній системі відліку.
Пояснення до зображення №1:а - Точки розташування тетродів;
b - Егоцентрична карта кордонів;
с — алоцентричні просторові карти (4 квадрати зліва), графіки траєкторій з колірним кодуванням розташування піків реакції клітин щодо положення тіла та егоцентричні карти (4 квадрати праворуч) на основі реакції клітин EBC при різних орієнтаціях та відстані між щуром і стіною;
d - як і на 1сале для EBC з переважними відстанями, віддаленими від тварини;
e - як і на 1сале для двох зворотних EBC;
f — розподіл середньої результуючої довжини для клітин, що спостерігаються;
g - розподіл середньої результуючої довжини для EBC з використанням напрямку руху та напрямки голови;
h — розподіл середньої реакції реакції клітин (всіх і EBC).
Було проведено 44 досвіди, коли щури збирали випадково розкидану їжу у знайомому їм просторі (відкритому, не в лабіринті). В результаті було зафіксовано 939 клітин. Зі зібраних даних було встановлено наявність 31 клітини напрямку голови (HDC), проте лише мала частина клітин, а точніше 19, мали алоцентричні просторові кореляти. При цьому активність цих клітин, обмежена периметром навколишнього середовища, спостерігалася лише під час руху щура вздовж стінок тестової камери, що передбачає егоцентричну схему кодування меж простору.
Для оцінки можливостей такого егоцентричного уявлення на базі пікових показників активності клітин було створено егоцентричні карти кордонів (1b), які ілюструють орієнтацію та відстань кордонів щодо напрямку руху щура, а не положення її голови (порівняння на 1g).
18% із зафіксованих клітин (171 з 939) демонстрували значну реакцію у відповідь, коли межа камери займала певне положення і орієнтацію щодо піддослідного (1f). Вчені назвали їх клітинами егоцентричних кордонів (EBC - egocentric boundary cells). Число таких клітин у піддослідних становило від 15 до 70 із середнім показником 42.75 (1c, 1d).
Серед клітин егоцентричних кордонів були такі, активність яких знижувалася у відповідь межі камери. Усього їх було 49 і назвали їх зворотними EBC (iEBC). Середній показник реакції клітин (їхнього потенціалу дії) у EBC та iEBC був досить низьким — 1,26±0,09 Гц (1h).
Популяція клітин EBC реагує на всі варіанти орієнтації та положення межі камери щодо піддослідного, але розподіл кращої орієнтації є бімодальним з піками, розташованими на 180 ° один навпроти одного по обидва боки від тварини (-68 ° і 112 °), злегка зміщеним від перпендикуляр до довгої осі тварини на 22° (2d).
Зображення №2: краща орієнтація і відстань для реакції реакції егоцентричних клітин кордонів (EBC).
Пояснення до зображення №2:a - егоцентричні карти кордонів для чотирьох одночасно досліджуваних EBC з різними кращими орієнтаціями, вказаними над кожним графіком;
b - положення тетродів відповідно до клітин з 2а (числа вказують на номер тетроду);
с - Розподіл ймовірностей кращих орієнтацій для всіх EBC одного щура;
d - Розподіл ймовірностей кращих орієнтацій для EBC всіх щурів;
е - положення тетродів для клітин, показаних на 2f;
f - егоцентричні карти кордонів для шести одночасно записаних EBC з різними кращими відстанями, вказаними над кожним графіком;
g - Розподіл ймовірностей кращої відстані для всіх EBC одного щура;
h - Розподіл ймовірностей кращої відстані для EBC всіх щурів;
i — полярний графік кращої відстані та кращої орієнтації для всіх EBC з розміром простору, представленим кольором та діаметром крапок.
Розподіл кращої відстані до кордону містив три піки: 6.4, 13.5 та 25.6 см, що вказують на наявність трьох різних переважних відстаней між EBC (2f-2h), які можуть бути важливими для стратегії ієрархічного навігаційного пошуку. Розмір рецептивних полів EBC збільшувався в залежності від кращої відстані (2i), що вказує на збільшення точності егоцентричного уявлення кордонів при зниженні відстані між стіною і піддослідним.
Як у кращій орієнтації, так і на відстані була відсутня чітка топографія, так як активні EBC піддослідного з різною орієнтацією і відстанню щодо стіни з'являлися на тому самому тетроді (2a, 2b, 2e и 2f).
Також було виявлено, що EBC стабільно реагують на межі простору (стіни камери) у будь-яких варіантах тестових камер. Щоб підтвердити, що EBC реагують на локальні межі камери, а не на її дистальні особливості, вчені «повернули» положення камери на 45° і зробили кілька стін чорними, зробивши її відмінною від використаної попередніх тестів.
Були зібрані дані як у звичайній тестовій камері, так і в поверненій. Незважаючи на зміну тестової камери, всі кращі орієнтації та відстані щодо стін у EBC піддослідних залишилися незмінними.
Враховуючи значимість кутів, було також розглянуто можливість, що EBC унікально кодують ці локальні атрибути довкілля. За допомогою вичленування різниці між реакцією поблизу кутів і реакцією поруч із серединою стіни було виділено підмножину клітин EBC (n = 16; 9,4%), які виявляють підвищену реакцію на кути.
Таким чином можна зробити проміжний висновок, що саме клітини EBC чудово реагують на периметр камери, тобто на стіни тестової камери та її кути.
Далі вчені перевірили, чи є реакція клітин EBC на відкритий простір (тестова арена без лабіринту, тобто просто 4 стіни) однаковою за різних варіантів площі тестового приміщення. Було проведено 3 заходи, у кожному з яких довжина стінок відрізнялася від попередніх на 50 см.
Незалежно від розмірів тестової камери EBC реагували на її межі на однаковій відстані та орієнтації щодо піддослідного. Це свідчить про відсутність масштабування реакції залежно від розміру довкілля.
Зображення №3: стабільна реакція клітин EBC на межі простору.
Пояснення до зображення №3:а — егоцентричні карти EBC за нормальних умов (ліворуч) та при повороті тестової камери на 45° (праворуч);
b - егоцентричні карти EBC для камери розміром 1.25 х 1.25 м (ліворуч) та для збільшеної камери 1.75 х 1.75 м (праворуч);
с - Егоцентричні карти EBC при звичайних чорних стінах камери (ліворуч) і при візерунчастих стінах (праворуч);
d-f — графіки кращої відстані (вгорі) та зміни кращої орієнтації щодо базової лінії (внизу).
Оскільки смугасте тіло отримує інформацію про довкілля від кількох областей зорової кори мозку, вчені також перевірили, чи впливає зовнішній вигляд стін (3с) камери на реакцію клітин EBC
Зміна зовнішнього вигляду меж простору ніяк не вплинула реакцію клітин EBC і необхідне реакції відстань і орієнтацію щодо піддослідного.
Зображення №4: стабільність реакції клітин EBC незалежно від довкілля.
Пояснення до зображення №4:а — егоцентричні карти для EBC у знайомому (ліворуч) та новому (праворуч) середовищі;
b - Егоцентричні карти для EBC, отримані в однаковому середовищі, але з тимчасовим проміжком;
с — графіки кращої відстані (вгорі) та зміни кращої орієнтації щодо базової лінії (внизу) для нових (незнайомих) середовищ;
d — графіки кращої відстані (вгорі) та зміни кращої орієнтації щодо базової лінії (внизу) для вивчених раніше (знайомих) середовищ.
Також було встановлено, що реакція клітин EBC, як і необхідна для цього орієнтація та відстань щодо піддослідного, не змінюються з часом.
Однак цей «тимчасовий» тест проводився в одній і тій же камері тестової. Необхідно було також перевірити, яка різниця між реакцією EBC на відомі умови та на нові. Для цього було проведено кілька заходів, коли щури вивчали камеру, яку вже знають із попередніх тестів, а потім — нові камери з відкритим простором.
Як ви вже здогадалися, реакція клітин EBC + потрібна орієнтація/відстань залишилися незмінними у нових камерах (4a, 4c).
Таким чином, реакція EBC забезпечує стабільне уявлення меж навколишнього середовища щодо піддослідного у всіх типах цього середовища, незалежно від зовнішнього вигляду стін, площі тестової камери, її переміщення та часу, проведеного піддослідним у камері.
Для більш детального ознайомлення з нюансами дослідження рекомендую заглянути у и до нього.
Епілог
У цьому праці вченим вдалося практично підтвердити теорію про егоцентричном уявленні довкілля, що дуже важливо задля орієнтування у просторі. Ними було доведено, що між алоцентричним просторовим поданням та фактичною дією є проміжний процес, у якому беруть участь певні клітини смугастого тіла, названі клітинами егоцентричних кордонів (EBC). Також було встановлено, що EBC більше пов'язані з керуванням руху всього тіла, а не лише голови піддослідних.
Це дослідження було націлене на визначення повного механізму орієнтації у просторі, всіх його складових та змінних. Ця праця, за словами вчених, надалі допоможе удосконалити технології навігації для автономних автомобілів та для роботів, які зможуть розуміти простір навколо них, оскільки це ми робимо. Дослідники вкрай раді результатам своєї праці, які дають підстави продовжити вивчати взаємозв'язок між певними ділянками мозку та тим, як здійснюється навігація у просторі.
Дякую за увагу, залишайтеся цікавими та хорошим всім робочого тижня, хлопці! 🙂
Дякую, що залишаєтеся з нами. Вам подобаються наші статті? Бажаєте бачити більше цікавих матеріалів? Підтримайте нас, оформивши замовлення або порекомендувавши знайомим, 30% знижка для користувачів Хабра на унікальний аналог entry-level серверів, який був винайдений нами для Вас: (Доступні варіанти з RAID1 і RAID10, до 24 ядер і до 40GB DDR4).
Dell R730xd у 2 рази дешевше? Тільки в нас у Нідерландах! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – від $99! Читайте про те
Джерело: habr.com