Mózgi mogą ustawić własny system nawigacji bez punktów orientacyjnych

Badania Johnsa Hopkinsa rzucają nowe światło na sposób, w jaki ssaki śledzą swoją pozycję i kierunek podczas ruchu, ujawniając, że same wizualne sygnały ruchu pozwalają mózgowi dostosować i ponownie skalibrować swoją wewnętrzną mapę nawet w przypadku braku stabilnych wizualnych punktów orientacyjnych. Ich wyniki pojawiają się w Normalna neuronauka.

„Kiedy poruszasz się w przestrzeni, otrzymujesz wiele konkurencyjnych informacji zmysłowych, które mówią ci, gdzie jesteś i jak szybko się poruszasz, a twój mózg musi to zrozumieć” – stwierdził współprowadzący badanie. Noaha Cowanaprofesor inżynierii mechanicznej w Whiting School of Engineering i dyrektor Laboratorium Ruchu w Układach Mechanicznych i Biologicznych (LIMBS).. „Wyniki naszego badania pokazują, że zaskakujące jest to, że mózg może przeprowadzać ten ciągły proces ponownej kalibracji bez wyraźnych zewnętrznych punktów orientacyjnych, które informowałyby nas, gdzie się znajdujemy. Mózg może dostosować swoje wewnętrzne poczucie prędkości za pomocą mapy przestrzennej na podstawie dowodów pochodzących wyłącznie z przepływu optycznego : wizualne wzorce ruchu, które ludzie postrzegają podczas poruszania się. ”W przestrzeni”.

Cowan współpracował przy projekcie z Jakuba Knierimaprofesor neurologii w Krieger College of Arts and Sciences Instytut Umysłu/Mózgu Zanville Krieger I Instytut Odkrycia Neuronauki Kavli U Johnsa Hopkinsa.

Naukowcy wiedzą, że na przykład gdy osoba przechodzi przez tunel pokryty znacznikami, jej mózg wykrywa prędkość, z jaką zdają się poruszać znaczniki, co pomaga oszacować przebytą odległość i jej względną pozycję w przestrzeni. Postanowili ustalić, czy zmiana prędkości oznaczeń dla pieszych lub usunięcie oznaczeń znacząco wpłynie na reakcję mózgu.

„Chcieliśmy poznać mechanizmy obliczania przebytej odległości przez nasz mózg na podstawie informacji o prędkości” – powiedział Cowan. „Nasze neurony hipokampa świecą jak niebieska kropka GPS w telefonie. Postawiliśmy hipotezę, że związek między przepływem optycznym a„ aktualizacją niebieskiej kropki ”można ponownie skalibrować w rzeczywistości wirtualnej i odkryliśmy, że jest to możliwe”.

Knierim wyjaśnił, że celem badaczy jest ustalenie, czy można wiarygodnie kontrolować poczucie lokalizacji szczura laboratoryjnego na jego mapie poznawczej, sztucznie zmieniając ilość przepływu obrazu, jaki otrzymuje on w systemie rzeczywistości wirtualnej.

„Odkryliśmy, że korzystając z zasad teorii kontroli, możemy precyzyjnie kontrolować mapę poznawczą za pomocą samych optycznych sygnałów przepływu, co pokazuje, że te dane wejściowe, o których od dawna zakładano, są rzeczywiście wykorzystywane przez system integracji ścieżki szczura” – powiedział Knierim.

Zespół zbudował kopułę rzeczywistości wirtualnej i umieścił na jej ścianach podświetlone linie. Myszy zwabiono kroplami mleka czekoladowego, aby spacerowały po kopule. Linie te miały służyć jako podprogowy przewodnik po prędkości gryzonia i jego ogólnej pozycji w przestrzeni. Kiedy zespół dostosował linie tak, aby obracały się w przeciwnym kierunku, gdy myszy robiły krok, reakcja hipokampa zwierząt wskazywała, że ​​myślały, że poruszają się dwa razy szybciej, a ich poczucie lokalizacji było wypaczone. Po pewnym czasie, gdy linie zostały wyłączone, naukowcy odkryli, że myszy nadal widziały, że poruszają się szybciej niż w rzeczywistości.

Wiadomo już, że mózgi ssaków wykorzystują wzajemne położenie punktów orientacyjnych do określenia lokalizacji i skalibrowania przybliżonej prędkości – powiedział Cowan. Nie było wiadomo, czy mózg ssaków przekalibruje swoją prędkość za pomocą mapy mentalnej w przypadku braku jakichkolwiek punktów orientacyjnych.

„W jaki sposób mózg dokonuje ponownej kalibracji w przypadku braku punktów orientacyjnych i czy w ogóle to robi, nie było wcześniej znane, co wykazaliśmy w tym badaniu” – powiedział.

Wyniki badania dostarczają cennych informacji w dwóch kluczowych obszarach. Po pierwsze, rzucają światło na funkcjonowanie hipokampa u ssaków, obszaru mózgu odpowiedzialnego za chorobę Alzheimera i inne demencje, a po drugie, badania odpowiadają na od dawna zadawane pytanie o podstawową biologię sposobu poruszania się zwierząt po świecie .

„Ponieważ system nawigacji jest ściśle powiązany z systemem pamięci mózgu, mamy nadzieję, że zrozumienie sposobu tworzenia tych map poznawczych umożliwi wgląd w to, jak pamięć ulega upośledzeniu podczas starzenia się i demencji” – powiedział Knierim.

Odkrycia mają jednak także konsekwencje dla robotyki. Odkrycie to może również pomóc w opracowaniu algorytmów sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego zaprojektowanych w celu integracji informacji wizualnych z reprezentacjami przestrzeni, co ostatecznie toruje drogę ucieleśnionym systemom poznawczym, zauważył Cowan.

Współautorami badania byli Manu Madhav, obecnie pracujący na Uniwersytecie Kolumbii Brytyjskiej, i Ravi Jayakumar, pracownik naukowy ze stopniem doktora w laboratoriach Knierim i Cowan.