Verlieren Sie sich nicht in drei Kiefern: einer egozentrischen Darstellung der Umwelt

Bewegung ist Leben. Dieser Satz kann als Motivation interpretiert werden, sich vorwärts zu bewegen, nicht still zu stehen und das Gewünschte zu erreichen, und als Aussage darüber, dass fast alle Lebewesen den größten Teil ihres Lebens in Bewegung sind. Damit unsere Bewegungen und Bewegungen im Raum nicht jedes Mal mit Unebenheiten auf der Stirn und gebrochenen kleinen Fingern an den Füßen enden, verwendet unser Gehirn gespeicherte „Karten“ der Umgebung, die im Moment unserer Bewegung unbewusst auftauchen. Es gibt jedoch die Meinung, dass das Gehirn diese Karten nicht sozusagen von außen verwendet, sondern indem es eine Person auf diese Karte legt und Daten aus der Perspektive der ersten Person sammelt. Wissenschaftler der Boston University beschlossen, diese Theorie durch eine Reihe praktischer Experimente mit Laborratten zu beweisen. Wie navigiert das Gehirn tatsächlich im Weltraum, welche Zellen sind beteiligt und welche Rolle spielt diese Studie für die Zukunft autonomer Autos und Roboter? Dies erfahren wir aus dem Bericht der Forschungsgruppe. Lass uns gehen.

Studienbasis

Die vor vielen Jahren festgestellte Tatsache ist, dass der Hippocampus der Hauptteil des Gehirns ist, der für die Orientierung im Raum verantwortlich ist.

Der Hippocampus ist an einer Vielzahl von Prozessen beteiligt: ​​der Bildung von Emotionen, der Umwandlung des Kurzzeitgedächtnisses in ein Langzeitgedächtnis und der Bildung des räumlichen Gedächtnisses. Letzteres ist die Quelle der „Karten“, die unser Gehirn zum richtigen Zeitpunkt aufruft, um sich effektiver im Raum zu orientieren. Mit anderen Worten, der Hippocampus speichert dreidimensionale neuronale Modelle des Raums, in dem sich der Besitzer des Gehirns befindet.


Hippocampus

Es gibt eine Theorie, die besagt, dass zwischen der tatsächlichen Navigation und den Hippocampus-Karten eine Zwischenstufe liegt - die Umwandlung dieser Karten in eine Ansicht aus der ersten Person. Das heißt, eine Person versucht zu verstehen, wo sich das befindet, was sich überhaupt nicht befindet (wie wir auf realen Karten sehen), sondern wo sich das relativ zu sich selbst befindet (als Funktion der "Straßenansicht" in Google Maps).

Die Autoren der betrachteten Arbeit betonen Folgendes: Kognitive Karten der Umgebung sind in der Hippocampus-Formation im allozentrischen System kodiert, aber motorische Fähigkeiten (Bewegungen selbst) sind im egozentrischen System vertreten.


UFO: Enemy Unknown (allozentrisches System) und DOOM (egozentrisches System).

Der Unterschied zwischen allozentrischen und egozentrischen Systemen ähnelt dem Unterschied zwischen Spielen der dritten Person (oder von einer Seitenansicht, von oben usw.) und Spielen mit einer Ansicht der ersten Person. Im ersten Fall ist die Umwelt selbst für uns wichtig, im zweiten Fall unsere Position in Bezug auf diese Umwelt. Daher müssen allozentrische Navigationspläne zur tatsächlichen Implementierung in ein egozentrisches System umgewandelt werden, d. H. sich im Raum bewegen.

Forscher glauben, dass das dorsomediale Striatum (DMS) * eine entscheidende Rolle bei dem oben genannten Prozess spielt.


Das Striatum des menschlichen Gehirns.

Striatum * - Teil des Gehirns, der sich auf die Basalkerne bezieht; Striatum ist an der Regulation des Muskeltonus, der inneren Organe und der Verhaltensreaktionen beteiligt. Das Striatum wird aufgrund seiner Struktur abwechselnder Bänder aus grauer und weißer Substanz auch als "Striatum" bezeichnet.

DMS zeigt neuronale Reaktionen im Zusammenhang mit Entscheidungen und Maßnahmen zur Navigation im Weltraum. Daher sollte dieser Bereich des Gehirns genauer untersucht werden.

Forschungsergebnisse

Um das Vorhandensein / Fehlen egozentrischer räumlicher Informationen im Striatum (DMS) zu bestimmen, wurden 4 männlichen Ratten bis zu 16 Tetroden (spezielle Elektroden, die mit den gewünschten Teilen des Gehirns verbunden sind) gegen DMS implantiert ( 1a ).


Bild Nr. 1: Die Reaktion von Striatumzellen auf Umweltgrenzen in einem egozentrischen Referenzrahmen.


44 Experimente wurden durchgeführt, als Ratten zufällig verstreutes Futter in einem vertrauten Raum (offen, nicht im Labyrinth) sammelten. Als Ergebnis wurden 939 Zellen fixiert. Aus den gesammelten Daten wurde das Vorhandensein von 31 Kopfrichtungszellen (HDC) festgestellt, jedoch hatte nur ein kleiner Teil der Zellen bzw. 19 allozentrische räumliche Korrelate. Darüber hinaus wurde die Aktivität dieser Zellen, die durch den Umfang der Umgebung begrenzt ist, nur während der Bewegung der Ratte entlang der Wände der Testkammer beobachtet, was auf ein egozentrisches Codierungsschema für die Grenzen des Raums hindeutet.

Um die Möglichkeiten einer solchen egozentrischen Darstellung auf der Grundlage von Indikatoren für die maximale Zellaktivität zu bewerten, wurden egozentrische Grenzkarten ( 1b ) erstellt, die die Ausrichtung und Entfernung der Grenzen relativ zur Bewegungsrichtung der Ratte und nicht ihre Kopfposition veranschaulichen ( 1g Vergleich).

18% der fixierten Zellen (171 von 939) zeigten eine signifikante Reaktion, wenn die Grenze der Kammer eine bestimmte Position und Orientierung relativ zur experimentellen einnahm ( 1f ). Wissenschaftler nannten sie Zellen egozentrischer Grenzzellen (EBC). Die Anzahl solcher Zellen bei Versuchspersonen lag im Bereich von 15 bis 70 mit einem Durchschnitt von 42,75 ( 1c , 1d ).

Unter den Zellen egozentrischer Grenzen gab es solche, deren Aktivität als Reaktion auf die Grenzen der Kammer abnahm. Es gab insgesamt 49 und nannten sie Reverse EBC (iEBC). Die durchschnittliche Rate der Zellantwort (ihr Aktionspotential) in EBC und iEBC war ziemlich niedrig - 1,26 ± 0,09 Hz ( 1 h).

Die EBC-Zellpopulation reagiert auf alle Orientierungen und Positionen der Kammergrenze relativ zum Subjekt, aber die bevorzugte Orientierungsverteilung ist bimodal mit Peaks, die sich auf beiden Seiten des Tieres um 180 ° gegenüberliegend befinden (-68 ° und 112 °) und leicht von der Senkrechten versetzt sind zur Längsachse des Tieres bei 22 ° ( 2d ).


Bild Nr. 2: bevorzugte Orientierung und Entfernung für die Reaktion egozentrischer Zellgrenzen (EBC).


Die Verteilung des bevorzugten Abstands zur Grenze enthielt drei Peaks: 6,4, 13,5 und 25,6 cm, was auf das Vorhandensein von drei verschiedenen bevorzugten Abständen zwischen EBC ( 2f - 2h ) hinweist, die für die hierarchische Navigationssuchstrategie wichtig sein können. Die Größe der Empfangsfelder des EBC nahm in Abhängigkeit vom bevorzugten Abstand ( 2i ) zu, was auf eine Zunahme der Genauigkeit der egozentrischen Darstellung der Grenzen mit einer Abnahme des Abstandes zwischen der Wand und dem Subjekt hinweist.

Sowohl in der bevorzugten Orientierung als auch in der Entfernung gab es keine klare Topographie, da aktive experimentelle EBCs mit unterschiedlichen Orientierungen und Abständen relativ zur Wand auf derselben Tetrode ( 2a , 2b , 2e und 2f ) auftraten .

Es wurde auch gezeigt, dass EBCs in jeder Version von Testkammern stabil auf die Grenzen des Raums (Kammerwände) reagieren. Um zu bestätigen, dass die EBCs eher auf die lokalen Grenzen der Kamera als auf ihre distalen Merkmale reagieren, haben die Wissenschaftler die Kameraposition um 45 ° „gedreht“ und mehrere Wände schwarz gemacht, wodurch sie sich von den in früheren Tests verwendeten unterscheiden.

Die Daten wurden sowohl in einer herkömmlichen als auch in einer gedrehten Testkamera gesammelt. Trotz der Änderung in der Testkammer blieben alle bevorzugten Ausrichtungen und Abstände relativ zu den Wänden der EBC-Probanden gleich.

Angesichts der Bedeutung von Winkeln wurde auch die Möglichkeit in Betracht gezogen, dass EBCs diese lokalen Umgebungsattribute eindeutig codieren. Durch Isolieren des Unterschieds zwischen der Reaktion in der Nähe der Ecken und der Reaktion in der Mitte der Wand wurde eine Untergruppe von EBC-Zellen (n = 16; 9,4%) isoliert, die eine erhöhte Reaktion auf die Ecken zeigen.

Wir können daher eine Zwischenschlussfolgerung ziehen, dass es EBC-Zellen sind, die perfekt auf den Umfang der Kamera reagieren, dh auf die Wände der Testkammer und auf ihre Ecken.

Dann überprüften die Wissenschaftler, ob die Reaktion der EBC-Zellen auf den offenen Raum (die Testarena ohne Labyrinth, d. H. Nur 4 Wände) mit unterschiedlichen Optionen für den Bereich des Testraums gleich ist. Es gab 3 Besuche, bei denen sich die Länge der Wände von den vorherigen um 50 cm unterschied.

Unabhängig von der Größe der Testkammer reagierte EBC auf seine Ränder im gleichen Abstand und in der gleichen Ausrichtung zum Subjekt. Dies weist auf einen Mangel an Reaktionsskalierung in Abhängigkeit von der Größe der Umgebung hin.


Bild 3: Stabile Reaktion von EBC-Zellen auf die Grenzen des Raums.


Da das Striatum Umweltinformationen aus mehreren Bereichen des visuellen Kortex erhält, überprüften die Wissenschaftler auch, ob das Erscheinungsbild der Wände ( 3c ) der Kammer die Reaktion von EBC-Zellen beeinflusst.

Die Änderung des Erscheinungsbildes der Raumgrenzen hatte keinen Einfluss auf die Reaktion der EBC-Zellen und den Abstand und die Orientierung, die für die Reaktion erforderlich sind, relativ zur experimentellen.


Bild Nr. 4: Stabilität der EBC-Zellantwort unabhängig von der Umgebung.


Es wurde auch festgestellt, dass sich die Reaktion von EBC-Zellen sowie die notwendige Orientierung und Entfernung relativ zum Subjekt im Laufe der Zeit nicht ändern.

Dieser "vorübergehende" Test wurde jedoch in derselben Testkammer durchgeführt. Es war auch notwendig, den Unterschied zwischen der Reaktion von EBC auf bekannte und neue Bedingungen zu überprüfen. Zu diesem Zweck wurden mehrere Besuche durchgeführt, als die Ratten die Kamera, die sie bereits aus früheren Tests kennen, und dann neue Kameras mit offenem Raum untersuchten.

Wie Sie vielleicht vermutet haben, blieb die Reaktion der EBC-Zellen + die gewünschte Orientierung / Entfernung in den neuen Kammern ( 4a , 4c ) unverändert.

Somit liefert die EBC-Reaktion eine stabile Darstellung der Grenzen der Umgebung relativ zum Subjekt in allen Arten dieser Umgebung, unabhängig vom Aussehen der Wände, dem Bereich der Testkammer, ihrer Bewegung und der Zeit, die das Subjekt in der Kammer verbringt.

Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien zu lesen.

Nachwort

In dieser Arbeit gelang es den Wissenschaftlern, die für die Orientierung im Raum äußerst wichtige Theorie der egozentrischen Repräsentation der Umwelt in der Praxis zu bestätigen. Sie haben bewiesen, dass zwischen der allozentrischen räumlichen Repräsentation und der tatsächlichen Aktion ein Zwischenprozess besteht, an dem bestimmte Zellen des Striatums beteiligt sind, die als Zellen egozentrischer Grenzen (EBC) bezeichnet werden. Es wurde auch festgestellt, dass EBC eher mit der Kontrolle der Bewegung des gesamten Körpers und nicht nur der Köpfe der Probanden verbunden ist.

Ziel dieser Studie war es, den vollständigen Orientierungsmechanismus im Raum, alle seine Komponenten und Variablen zu bestimmen. Laut Wissenschaftlern wird diese Arbeit dazu beitragen, die Navigationstechnologien für autonome Autos und für Roboter, die den Raum um sie herum verstehen können, weiter zu verbessern, so wie wir es tun. Die Forscher sind äußerst zufrieden mit den Ergebnissen ihrer Arbeit, die Anlass geben, die Beziehung zwischen bestimmten Teilen des Gehirns und der Navigation im Weltraum weiter zu untersuchen.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs! :) :)

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