不要迷失在三个松树中：以环境为中心的代表

运动就是生命。 这句话可以解释为前进的动力，而不是停滞不前并实现期望的目标，并且可以解释为几乎所有生物在其大部分生命中都处于运动状态。 为了使我们的运动和每次在空间中的运动都不会以额头上的圆锥体和脚上的小手指骨折为结尾，我们的大脑使用了保存的环境“地图”，该地图在我们运动的时刻不自觉地出现。 但是，有一种观点认为，可以说，大脑不是从外面使用这些卡，而是将一个人放在该卡上并从第一人称视角收集数据。 波士顿大学的科学家决定通过对实验室大鼠进行一系列实际实验来证明这一理论。 那么，大脑实际上是如何在太空中导航的，涉及的细胞是什么，以及这项研究对自动驾驶汽车和机器人的未来起什么作用？ 我们从研究小组的报告中了解到这一点。 走吧

学习基础

因此，许多年前确立的事实是，负责空间定向的大脑主要部分是海马体。

海马体参与多种过程：情绪的形成，短期记忆向长期记忆的转化以及空间记忆的形成。 正是后者才是我们的大脑在正确的时间调用以获取更有效的空间方向的“地图”的来源。 换句话说，海马存储大脑所有者所在的空间的三维神经模型。


海马

有一种理论声称，在实际导航和海马地图之间存在一个中间阶段-将这些地图转换为第一人称视角。 也就是说，一个人试图了解什么根本不在哪里（正如我们在真实地图上看到的那样），而是相对于他自己的什么地方（作为Google地图中“街景”的函数）。

正在考虑的工作的作者强调以下几点：环境的认知图编码在同心系统的海马结构中，但是运动技能（运动本身）在自我中心的系统中表示。


不明飞行物：未知敌人（alocentric系统）和DOOM（自我中心系统）。

同素中心系统和自我中心系统之间的差异类似于第三人称游戏（或从侧视图，顶部等）与具有第一人称视角的游戏之间的差异。 在第一种情况下，环境本身对我们很重要，在第二种情况下-我们对这种环境的立场。 因此，必须将异心导航计划转换为以自我为中心的系统，以进行实际实施，即 在太空中移动。

研究人员认为，在上述过程中至关重要的是背部纹状体（DMS）* 。


人脑的纹状体。

纹状体* -指基底核的一部分大脑； 纹状体参与肌肉张力，内部器官和行为反应的调节； 纹状体由于其灰白色物质交替带的结构而也被称为“纹状体”。

DMS演示了与做出有关太空导航的决策和采取行动有关的神经反应，因此应该更详细地研究大脑的这一区域。

研究成果

为了确定纹状体（DMS）中是否存在以自我为中心的空间信息，向4只雄性大鼠植入了多达16个针对DMS的四极体（连接到大脑所需部位的特殊电极）（ 1a ）。


图片编号1：在以自我为中心的参照系中，纹状体细胞对环境边界的反应。


当大鼠在一个熟悉的空间（开放，不在迷宫中）中随机收集食物时，进行了44个实验。 结果，固定了939个单元。 从收集的数据中，发现存在31个头部方向细胞（HDC），但是，只有一小部分细胞，或者说是19个，具有同心轴空间相关性。 此外，仅在大鼠沿着测试室壁移动期间观察到了这些细胞的活动，受环境周长的限制，这暗示了针对空间边界的以自我为中心的编码方案。

为了评估这种以自我为中心的表现的可能性，在峰值细胞活性指标的基础上，创建了以自我为中心的边界图（ 1b ），该图说明了边界相对于大鼠运动方向的方向和距离，而不是其头部位置（比较1g ）。

当腔室的边界相对于实验细胞（ 1f ）处于特定位置和方向时，有18％的固定细胞（939个细胞中的171个）显示出明显的响应。 科学家称它们为以自我为中心的边界细胞 （EBC）。 实验对象中此类细胞的数量为15到70，平均为42.75（ 1c ， 1d ）。

在以自我为中心的边界的细胞中，有一些细胞的活性随着室的边界而下降。 共有49个，称它们为反向EBC（iEBC）。 EBC和iEBC的平均细胞反应率（其动作电位）非常低-1.26±0.09 Hz（ 1h ）。

EBC细胞群对腔室边界相对于对象的所有方向和位置均具有响应，但首选方向分布是双峰的，在动物的两侧（-68°和112°）彼此相对的峰位于180°，与垂直方向略有偏移到动物的长轴在22°（ 2d ）。


图片编号2：以自我为中心的细胞边界（EBC）响应的首选方向和距离。


到边界的首选距离分布包含三个峰：6.4、13.5和25.6 cm，表明EBC之间存在三个不同的首选距离（ 2f - 2h ），这对于分层导航搜索策略可能很重要。 EBC的接收场的大小根据首选距离（ 2i ）的增加而增加，这表明边界的以自我为中心的表示的准确性随着壁与对象之间距离的减小而增加。

在首选方向和距离上都没有清晰的地形，因为相对于壁具有不同方向和距离的活动实验EBC出现在同一四极管上（ 2a ， 2b ， 2e和2f ）。

还发现，在任何版本的测试箱中，EBC都能稳定地响应空间边界（箱壁）。 为了确认EBC对摄像头的局部边界而不是其远端特征做出反应，科学家将摄像头位置“旋转”了45°，并将几面墙壁涂成黑色，使其与之前的测试有所不同。

在传统的测试相机和旋转相机中都收集了数据。 尽管测试室发生了变化，但相对于EBC对象壁的所有首选方向和距离都保持不变。

考虑到角度的重要性，还考虑了EBC唯一编码这些局部环境属性的可能性。 通过隔离拐角附近的反应和壁中部附近的反应之间的差异，可以分离出对拐角具有增强反应的一部分EBC细胞（n = 16； 9.4％）。

因此，我们可以得出一个中间结论，那就是EBC电池完美地响应了摄像机的周边，即对测试室的壁及其角落的响应。

然后，科学家检查了EBC细胞对开放空间（没有迷宫的测试区域，即只有4堵墙）的反应是否相同，并且对测试区域的选择不同。 进行了3次访问，每次访问的墙长与以前的相差50厘米。

不管测试室的大小如何，EBC都会以相对于对象相同的距离和方向对其边界做出反应。 这表明缺乏取决于环境大小的反应缩放。


图3：EBC细胞对空间边界的稳定反应。


由于纹状体从视觉皮层的多个区域接收环境信息，因此科学家还检查了腔室壁（ 3c ）的外观是否影响EBC细胞的反应。

相对于实验细胞，空间边界外观的改变不影响EBC细胞的反应以及反应所需的距离和方向。


图片编号4：无论环境如何，EBC细胞反应稳定性。


还发现EBC细胞的反应以及相对于受试者的必要取向和距离不会随时间变化。

但是，此“临时”测试是在同一测试室内进行的。 还必须检查EBC与已知条件和新条件之间的反应差异。 为此，当老鼠研究照相机时（他们已经从以前的测试中知道了），然后研究了具有开放空间的新照相机，进行了多次访问。

您可能已经猜到了，在新腔室（ 4a ， 4c ）中，EBC细胞的反应+所需的方向/距离保持不变。

因此，无论壁的外观，测试室的面积，它的运动以及受试者在试验室中所花费的时间如何，EBC反应都可以在所有类型的环境中稳定地表示相对于受试者的环境边界。

为了更详尽地了解这项研究的细微差别，我建议您研究一下科学家的报告和其他材料 。

结语

在这项工作中，科学家设法在实践中确认了环境的以自我为中心的表示理论，这对于空间定向极为重要。 他们证明了在同心轴空间表示和实际动作之间存在一个中间过程，其中涉及纹状体的某些细胞，称为自我中心边界的细胞（EBC）。 还发现EBC与控制整个身体的运动有关，而不仅仅是对象的头部。

这项研究旨在确定空间定向的完整机制，其所有组成部分和变量。 据科学家称，这项工作将进一步帮助改进自动驾驶汽车和能够了解周围空间的机器人的导航技术，就像我们所做的那样。 研究人员对他们的工作成果感到非常满意，这使我们有理由继续研究大脑某些部分之间的关​​系以及在太空中如何进行导航。

谢谢大家的关注，保持好奇心，祝大家工作愉快！ :)

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