運動就是生命。 這句話既可以解釋為前進的動力，而不是停滯不前並實現你想要的，也可以解釋為幾乎所有生物在其生命的大部分時間裡都在運動這一事實的陳述。 為了保證我們在空間中的動作和動作不至於每次都以額頭磕磕碰碰、腿上小指斷掉而告終，我們的大腦使用了保存下來的環境“地圖”，這些地圖在我們運動的瞬間不自覺地彈出. 然而，有一種觀點認為，大腦並不是從外部應用這些卡片，可以這麼說，而是通過將一個人放在這張卡片上並從第一人稱視角收集數據。 波士頓大學的科學家們決定通過對實驗室老鼠進行一系列實際實驗來證明這一理論。 大腦實際上是如何在太空中導航的，涉及哪些細胞，這項研究對未來的自動駕駛汽車和機器人有什麼作用？ 我們從課題組的報告中了解到這一點。 去。
研究基礎
因此，多年前確立的事實是，大腦中負責空間定向的主要部分是海馬體。
海馬體參與多種過程：情緒的形成、短期記憶向長期記憶的轉化、空間記憶的形成。 後者是我們的大腦在正確的時刻調用以更有效地定位空間的“地圖”的來源。 換句話說，海馬體存儲著大腦主人所在空間的三維神經模型。
海馬
有一種理論指出，在實際導航和來自海馬體的地圖之間存在一個中間步驟——將這些地圖轉換為第一人稱視圖。 也就是說，一個人試圖了解的根本不是某物的位置（正如我們在真實地圖上看到的那樣），而是某物相對於他的位置（如穀歌地圖中的“街景”功能）。
我們正在考慮的工作的作者強調以下幾點：環境的認知地圖在非自我中心系統的海馬結構中編碼，但運動技能（運動本身）在自我中心系統中表示。
UFO：Enemy Unknown（自我中心系統）和 DOOM（自我中心系統）。
自我中心系統和自我中心系統之間的區別就像第三人稱遊戲（或側視圖、俯視圖等）和第一人稱遊戲之間的區別。 在第一種情況下，環境本身對我們很重要，在第二種情況下，我們相對於環境的位置。 因此，非以自我為中心的導航計劃必須轉換為以自我為中心的系統以進行實際實施，即空間運動。
研究人員認為這是背內側 紋狀體 (DMS)* 在上述過程中起著重要作用。
人類大腦的紋狀體。
紋狀體* - 屬於基底神經節的大腦部分； 紋狀體參與肌肉張力、內臟器官和行為反應的調節； 紋狀體也被稱為“紋狀體”，因為它具有灰質和白質交替帶的結構。
DMS 展示了與空間導航相關的決策和行動相關的神經反應，因此應該更詳細地研究大腦的這個區域。
研究結果
為了確定紋狀體 (DMS) 中是否存在以自我為中心的空間信息，4 隻雄性大鼠被植入了多達 16 個以 DMS 為目標的四極管（連接到大腦所需區域的特殊電極）（1a).
Image #1：紋狀體細胞在以自我為中心的參照系中對環境邊界的反應。
圖片 #1 的解釋：а - 四極管的位置點；
b - 以自我為中心的邊界圖；
с — 非中心空間圖（左側 4 個方塊），細胞響應峰值位置相對於身體位置的顏色編碼軌跡圖，以及基於 EBC 細胞在不同方向和距離之間的響應的自我中心圖（右側 4 個方塊）老鼠和牆；
d - 一個兒子 1秒, 但對於 EBC 與動物的首選距離;
e - 一個兒子 1秒，但對於兩個逆 EBC；
f - 觀察到的細胞的平均長度分佈；
g - 使用運動方向和頭部方向的 EBC 平均長度分佈；
h — 細胞平均反應的分佈（總和 EBC）。
當老鼠在他們熟悉的空間（開放，而不是迷宮）中隨機收集散落的食物時，進行了 44 次實驗。 結果，記錄了 939 個細胞。 根據收集的數據，確定了 31 個頭部方向細胞 (HDC) 的存在，但是，只有一小部分細胞，更準確地說是 19 個，具有非中心空間相關性。 同時，這些細胞的活動受到環境周長的限制，僅在大鼠沿著測試室的牆壁移動時才能觀察到，這表明編碼空間邊界的自我中心方案。
為了評估這種以自我為中心的表示的可能性，基於峰值細胞活動指標，創建了以自我為中心的邊界圖（1b), 它說明了邊界相對於老鼠運動方向的方向和距離, 而不是它的頭部位置 (與 1g).
18% 的捕獲細胞（171 個中的 939 個）在腔室邊界相對於受試者佔據特定位置和方向時表現出顯著的反應（1f). 科學家稱它們為自我中心邊界細胞 (EBC)。 以自我為中心的邊界細胞). 實驗對像中此類細胞數量為15~70個，平均為42.75 (1c, 1d).
在自我中心邊界的細胞中，有些細胞的活動隨著腔室的邊界而降低。 總共有 49 個，它們被稱為反向 EBC (iEBC)。 EBC 和 iEBC 中細胞反應的平均指數（它們的動作電位）非常低 - 1,26 ± 0,09 Hz（1h).
EBC 種群對腔室邊界相對於受試者的所有方向和位置都有反應，但首選方向的分佈是雙峰的，在動物的兩側（-180° 和 68°）彼此呈 112° 相對的峰值，即稍微偏離垂直於動物長軸的 22°（2d).
Image #2：以自我為中心的邊界細胞 (EBC) 響應的首選方向和間距。
圖片 #2 的解釋：a - 四個同時研究的 EBCs 的以自我為中心的邊界圖，每個圖上方指示不同的首選方向；
b - 根據細胞的四極管位置 2a （數字表示四極數）；
с — 一隻大鼠的所有 EBC 的首選方向的概率分佈；
d — 所有大鼠 EBC 偏好方向的概率分佈；
е - 中所示細胞的四極管位置 2f;
f - 六個同時記錄的 EBC 的以自我為中心的邊界圖，每個圖上方顯示不同的首選距離；
g 是一隻大鼠的所有 EBC 的首選距離的概率分佈；
h 是所有大鼠 EBC 偏好距離的概率分佈；
i - 所有 EBC 的首選距離和首選方向的極坐標圖，空間大小由顏色和點直徑表示。
到邊界的首選距離分佈包含三個峰值：6.4、13.5 和 25.6 cm，表明 EBC 之間存在三種不同的首選距離（2f - 2h) 這對於分層導航搜索策略可能很重要。 EBC 感受野的大小隨著首選距離的增加而增加（2i), 表明隨著牆壁和主體之間的距離減小，邊界的自我中心表示的準確性增加。
在首選方向和距離上都沒有明確的地形圖，因為受試者的活動 EBC 具有不同的方向和與牆壁的距離出現在同一個四極管上（2a, 2b, 2e и 2f).
還發現 EBC 穩定地響應任何測試室中的空間邊界（室壁）。 為了確認 EBC 對腔室的局部邊界而不是其遠端特徵做出反應，科學家們將攝像機位置“旋轉”了 45°，並將幾面牆壁變黑，使其與之前測試中使用的不同。
數據是在傳統測試室和旋轉測試室中收集的。 儘管測試室發生了變化，但所有首選方向和相對於 EBC 測試對象牆壁的距離都保持不變。
鑑於角度的重要性，還考慮了 EBC 對這些局部環境屬性進行唯一編碼的可能性。 通過隔離角落附近的響應與牆壁中間附近的響應之間的差異，確定了 EBC 細胞的一個子集（n = 16；9,4%），這些細胞顯示對角落的響應增加。
因此，我們可以得出一個中間結論，即 EBC 細胞對腔室的周邊，即對測試腔室的牆壁及其角落做出完美的反應。
接下來，科學家們測試了 EBC 細胞對開放空間（沒有迷宮的測試場地，即只有 4 面牆）的反應對於不同的測試室大小是否相同。 進行了三次訪問，每次訪問的牆壁長度都與之前的不同 3 厘米。
無論測試室的大小如何，EBC 都會以與測試對象相同的距離和方向響應其邊界。 這表明響應不隨環境的大小而變化。
Image #3：EBC 細胞對空間邊界的穩定響應。
圖片 #3 的解釋：а — 正常條件下（左）和測試室旋轉 45°（右）時以自我為中心的 EBC 圖；
b — 1.25 x 1.25 m（左）和擴大的 1.75 x 1.75 m（右）腔室的以自我為中心的 EBC 圖；
с - 以自我為中心的 EBC 地圖，帶有普通的黑色房間牆壁（左）和帶有圖案的牆壁（右）；
d - f - 首選距離圖（頂部）和首選方向相對於基線的變化（底部）。
由於紋狀體從視覺皮層的幾個區域接收有關環境的信息，科學家們還測試了牆壁的外觀是否受到影響（3秒) EBC 細胞反應室。
改變空間邊界的外觀對 EBC 細胞的反應以及反應所需的相對於受試者的距離和方向沒有影響。
Image #4：無論環境如何，EBC 細胞反應的穩定性。
圖片 #4 的解釋：а — EBC 在熟悉（左）和新（右）環境中的自我中心地圖；
b - 在相同環境中獲得的 EBC 的自我中心地圖，但有時間間隔；
с - 新（不熟悉）環境的首選距離（頂部）和相對於基線（底部）的首選方向變化圖；
d - 對於先前研究（熟悉的）環境，首選距離（頂部）和相對於基線（底部）的首選方向變化的圖表。
還發現 EBC 細胞的反應，以及相對於受試者所需的方向和距離，不會隨時間改變。
然而，這種“臨時”測試是在同一個測試室中進行的。 還有必要檢查 EBC 對已知條件和新條件的反應有何不同。 為此，進行了幾次訪問，當時老鼠研究了他們從以前的測試中已經知道的房間，然後研究了帶有開放空間的新房間。
正如您可能已經猜到的那樣，EBC 細胞的響應 + 所需的方向/距離在新腔室中保持不變（4a, 4c).
因此，EBC 反應提供了在所有類型的環境中相對於測試對象的環境邊界的穩定表示，無論牆壁的外觀、測試室的面積、它的移動和測試對像在室內花費的時間。
為了更詳細地了解這項研究的細微差別，我建議看看 и 給他。
尾聲
在這項工作中，科學家們設法在實踐中證實了以自我為中心的環境表徵理論，這對於空間定位極為重要。 他們證明了在非中心空間表徵和實際行動之間存在一個中間過程，其中紋狀體的某些細胞，稱為自我中心邊界細胞 (EBC)，參與其中。 還發現 EBCs 與整個身體的運動控制更相關，而不僅僅是受試者的頭部。
本研究旨在確定空間定向的完整機制、其所有組成部分和變量。 據科學家稱，這項工作將進一步幫助改進自動駕駛汽車和能夠像我們一樣了解周圍空間的機器人的導航技術。 研究人員對他們的工作結果感到非常興奮，這使他們有理由繼續研究大腦某些區域與空間導航方式之間的關係。
感謝您的關注，保持好奇心，祝大家度過愉快的一周！ 🙂
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來源： www.habr.com