Ne vous perdez pas dans trois pins: une représentation égocentrique de l'environnement

Le mouvement c'est la vie. Cette phrase peut être interprétée comme une motivation à aller de l'avant, à ne pas rester immobile et à réaliser ce qui est souhaité, et comme une déclaration du fait que presque tous les êtres vivants sont en mouvement pendant la majeure partie de leur vie. Afin que nos mouvements et mouvements dans l'espace ne se terminent pas à chaque fois avec des cônes sur notre front et des petits doigts cassés sur nos pieds, notre cerveau utilise des «cartes» de l'environnement sauvegardées qui émergent inconsciemment au moment de notre mouvement. Cependant, il y a une opinion que le cerveau n'utilise pas ces cartes de l'extérieur, pour ainsi dire, mais en plaçant une personne sur cette carte et en collectant des données à la première personne. Des scientifiques de l'Université de Boston ont décidé de prouver cette théorie en menant une série d'expériences pratiques avec des rats de laboratoire. Alors, comment le cerveau navigue-t-il réellement dans l'espace, quelles cellules sont impliquées et quel rôle cette étude joue-t-elle pour l'avenir des voitures autonomes et des robots? Nous en apprenons à travers le rapport du groupe de recherche. Allons-y.

Base d'étude

Ainsi, le fait établi il y a de nombreuses années est que la partie principale du cerveau responsable de l'orientation dans l'espace est l'hippocampe.

L'hippocampe est impliqué dans une variété de processus: la formation des émotions, la transformation de la mémoire à court terme en long terme et la formation de la mémoire spatiale. C'est ce dernier qui est à l'origine des «cartes» mêmes que notre cerveau invoque au bon moment pour une orientation plus efficace dans l'espace. En d'autres termes, l'hippocampe stocke des modèles neuronaux tridimensionnels de l'espace à l'intérieur duquel se trouve le propriétaire du cerveau.


Hippocampe

Il existe une théorie affirmant qu'entre la navigation réelle et les cartes hippocampiques, il existe une étape intermédiaire - la conversion de ces cartes en vue à la première personne. Autrement dit, une personne essaie de comprendre où ce qui se trouve pas du tout (comme nous le voyons sur de vraies cartes), mais où ce qui sera situé par rapport à lui-même (en fonction de la "vue de la rue" dans Google Maps).

Les auteurs des travaux à l'étude soulignent ce qui suit: Les cartes cognitives de l'environnement sont encodées dans la formation hippocampique dans le système allocentrique, mais les habiletés motrices (mouvements eux-mêmes) sont représentées dans le système égocentrique.


OVNI: ennemi inconnu (système allocentrique) et DOOM (système égocentrique).

La différence entre les systèmes allocentrique et égocentrique ressemble à la différence entre les jeux à la troisième personne (ou d'une vue latérale, en haut, etc.) et les jeux avec une vue à la première personne. Dans le premier cas, l'environnement lui-même est important pour nous, dans le second - notre position vis-à-vis de cet environnement. Ainsi, les plans de navigation allocentriques doivent être transformés en un système égocentrique pour une mise en œuvre réelle, c'est-à-dire se déplaçant dans l'espace.

Les chercheurs pensent que c'est le striatum dorsomédial (DMS) * qui joue un rôle essentiel dans le processus ci-dessus.


Le striatum du cerveau humain.

Striatum * - partie du cerveau qui fait référence aux noyaux basaux; le striatum est impliqué dans la régulation du tonus musculaire, des organes internes et des réactions comportementales; le striatum est également appelé "striatum" en raison de sa structure de bandes alternées de matière grise et blanche.

Le DMS démontre des réponses neuronales liées à la prise de décisions et à la prise de mesures concernant la navigation dans l'espace, donc cette zone du cerveau devrait être étudiée plus en détail.

Résultats de recherche

Afin de déterminer la présence / absence d'informations spatiales égocentriques dans le striatum (DMS), 4 rats mâles ont été implantés avec jusqu'à 16 tétrodes (électrodes spéciales connectées aux parties souhaitées du cerveau) visant le DMS ( 1a ).


Image n ° 1: la réaction des cellules du striatum aux limites environnementales dans un cadre de référence égocentrique.


44 expériences ont été menées lorsque des rats ont collecté des aliments dispersés au hasard dans un espace familier (ouvert, pas dans le labyrinthe). En conséquence, 939 cellules ont été fixées. À partir des données collectées, la présence de 31 cellules de direction de tête (HDC) a été trouvée, mais seule une petite partie des cellules, ou plutôt 19, avait des corrélats spatiaux allocentriques. De plus, l'activité de ces cellules, limitée par le périmètre de l'environnement, n'a été observée que lors du déplacement du rat le long des parois de la chambre d'essai, ce qui suggère un schéma de codage égocentrique pour les limites de l'espace.

Pour évaluer les possibilités d'une telle présentation égocentrique, sur la base des indicateurs d'activité maximale des cellules, des cartes de frontières égocentriques ( 1b ) ont été créées qui illustrent l'orientation et la distance des frontières par rapport à la direction du mouvement du rat, et non sa position de tête (comparaison 1g ).

18% des cellules fixes (171 sur 939) ont montré une réponse significative lorsque la limite de la chambre occupait une certaine position et orientation par rapport à celle expérimentale ( 1f ). Les scientifiques les ont appelées cellules de cellules limites égocentriques (EBC). Le nombre de ces cellules chez les sujets expérimentaux variait de 15 à 70 avec une moyenne de 42,75 ( 1c , 1d ).

Parmi les cellules aux frontières égocentriques, il y avait celles dont l'activité diminuait en réponse aux limites de la chambre. Il y avait un total de 49 et les a appelés EBC inversé (iEBC). Le taux moyen de réponse cellulaire (leur potentiel d'action) dans l'EBC et l'iEBC était assez faible - 1,26 ± 0,09 Hz ( 1 h ).

La population de cellules EBC répond à toutes les orientations et positions de la limite de la chambre par rapport au sujet, mais la distribution d'orientation préférée est bimodale avec des pics situés à 180 ° les uns des autres des deux côtés de l'animal (-68 ° et 112 °), étant légèrement décalés par rapport à la perpendiculaire à l'axe long de l'animal à 22 ° ( 2d ).


Image n ° 2: orientation et distance préférées pour la réponse des bordures de cellules égocentriques (EBC).


La distribution de la distance préférée à la limite contenait trois pics: 6,4, 13,5 et 25,6 cm, indiquant la présence de trois distances préférées différentes entre EBC ( 2f - 2h ), ce qui peut être important pour la stratégie de recherche de navigation hiérarchique. La taille des champs récepteurs de l'EBC a augmenté en fonction de la distance préférée ( 2i ), ce qui indique une augmentation de la précision de la représentation égocentrique des limites avec une diminution de la distance entre le mur et le sujet.

Tant dans l'orientation préférée que dans la distance, il n'y avait pas de topographie claire, car des EBC expérimentaux actifs avec des orientations et des distances différentes par rapport à la paroi sont apparus sur la même tétrode ( 2a , 2b , 2e et 2f ).

Il a également été révélé que les EBC répondent de manière stable aux limites de l'espace (parois des chambres) dans toutes les versions de chambres d'essai. Pour confirmer que les EBC répondent aux limites locales de la caméra, plutôt qu'à ses caractéristiques distales, les scientifiques ont «tourné» la position de la caméra de 45 ° et rendu plusieurs murs noirs, ce qui la rend différente de celle utilisée dans les tests précédents.

Les données ont été collectées à la fois dans une caméra de test conventionnelle et dans une caméra rotative. Malgré le changement dans la chambre d'essai, toutes les orientations et distances préférées par rapport aux parois des sujets EBC sont restées les mêmes.

Étant donné l'importance des angles, il a également été envisagé que les EBC codent de manière unique ces attributs environnementaux locaux. En isolant la différence entre la réaction près des coins et la réaction près du milieu de la paroi, un sous-ensemble de cellules EBC (n = 16; 9,4%), qui présentent une réaction accrue aux coins, ont été isolés.

Ainsi, nous pouvons faire une conclusion intermédiaire que ce sont les cellules EBC qui répondent parfaitement au périmètre de la caméra, c'est-à-dire aux parois de la chambre d'essai et à ses coins.

Ensuite, les scientifiques ont vérifié si la réaction des cellules EBC à l'espace ouvert (la salle de test sans labyrinthe, c'est-à-dire seulement 4 murs) est la même avec différentes options pour la zone de la salle de test. Il y a eu 3 visites, dans chacune desquelles la longueur des murs différait des précédentes de 50 cm.

Quelle que soit la taille de la chambre d'essai, EBC a réagi à ses frontières à la même distance et orientation par rapport au sujet. Cela indique un manque d'échelle de réaction en fonction de la taille de l'environnement.


Image 3: Réponse stable des cellules EBC aux limites de l'espace.


Étant donné que le striatum reçoit des informations environnementales de plusieurs zones du cortex visuel, les scientifiques ont également vérifié si l'apparence des parois ( 3c ) de la chambre affectait la réponse des cellules EBC.

Le changement d'apparence des limites de l'espace n'a pas affecté la réaction des cellules EBC et la distance et l'orientation nécessaires pour la réaction par rapport à celle expérimentale.


Image n ° 4: stabilité de la réponse des cellules EBC quel que soit l'environnement.


Il a également été constaté que la réaction des cellules EBC, ainsi que l'orientation et la distance nécessaires par rapport au sujet, ne changent pas avec le temps.

Cependant, ce test «temporaire» a été réalisé dans la même chambre de test. Il était également nécessaire de vérifier la différence entre la réaction de l'EBC aux conditions connues et les nouvelles. Pour cela, plusieurs visites ont été effectuées lorsque les rats ont étudié la caméra, qu'ils connaissent déjà des tests précédents, puis de nouvelles caméras avec espace ouvert.

Comme vous l'avez peut-être deviné, la réaction des cellules EBC + l'orientation / distance souhaitée est restée inchangée dans les nouvelles chambres ( 4a , 4c ).

Ainsi, la réaction EBC fournit une représentation stable des limites de l'environnement par rapport au sujet dans tous les types de cet environnement, quels que soient l'apparence des murs, la surface de la chambre d'essai, son mouvement et le temps passé par le sujet dans la chambre.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques et les documents supplémentaires qui s'y rapportent.

Épilogue

Dans ce travail, les scientifiques ont réussi à confirmer dans la pratique la théorie de la représentation égocentrique de l'environnement, qui est extrêmement importante pour l'orientation dans l'espace. Ils ont prouvé qu'entre la représentation spatiale allocentrique et l'action réelle, il existe un processus intermédiaire dans lequel certaines cellules du striatum, appelées cellules de frontières égocentriques (EBC), sont impliquées. Il a également été constaté que l'EBC est davantage associé au contrôle des mouvements de tout le corps, et pas seulement de la tête des sujets.

Cette étude visait à déterminer le mécanisme complet d'orientation dans l'espace, toutes ses composantes et variables. Ce travail, selon les scientifiques, contribuera à améliorer les technologies de navigation pour les voitures autonomes et pour les robots qui peuvent comprendre l'espace qui les entoure, comme nous. Les chercheurs sont extrêmement satisfaits des résultats de leurs travaux, qui donnent raison de continuer à étudier la relation entre certaines parties du cerveau et la manière dont la navigation s'effectue dans l'espace.

Merci de votre attention, restez curieux et bonne semaine de travail, les gars! :)

Merci de rester avec nous. Aimez-vous nos articles? Vous voulez voir des matériaux plus intéressants? Soutenez-nous en passant une commande ou en le recommandant à vos amis, une réduction de 30% pour les utilisateurs Habr sur un analogue unique de serveurs d'entrée de gamme que nous avons inventés pour vous: Toute la vérité sur VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 cœurs) 10 Go DDR4 240 Go SSD 1 Gbps à partir de 20 $ ou comment diviser le serveur? (les options sont disponibles avec RAID1 et RAID10, jusqu'à 24 cœurs et jusqu'à 40 Go de DDR4).

Dell R730xd 2 fois moins cher? Nous avons seulement 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV à partir de 199 $ aux Pays-Bas! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - à partir de 99 $! Pour en savoir plus sur la création d'un bâtiment d'infrastructure. classe utilisant des serveurs Dell R730xd E5-2650 v4 coûtant 9 000 euros pour un sou?