Некоторые системы координат более полезны, чем другие, для представления информации. Например, чтобы представить местоположение на Земле, мы могли бы использовать систему координат с центром в Земле, такую как широта и долгота. В такой системе координат, ориентированной на Землю, местоположение – например, ваш дом – является постоянным во времени. Но вы также можете представить, где вы живете, как местоположение относительно Солнца, используя систему координат с центром в центре Солнца.
Такая система явно бесполезна для людей, пытающихся найти, где вы живете, поскольку ваш адрес в центрированных по Солнцу координатах будет непрерывно меняться по мере вращения Земли относительно Солнца.
Человеческий мозг сталкивается с той же проблемой представления информации в соответствующих системах координат и передачи между системами координат для управления вашими действиями. Частично это связано с тем, что сенсорная информация кодируется в разных опорных кадрах: визуальная информация изначально кодируется относительно глаза с помощью координат, центрированных по глазам, слуховая информация изначально кодируется относительно головы с координатами, центрированными по центру головы, и т. Д. В мозгу должен произойти интересный набор вычислений, чтобы эти сенсорные сигналы были объединены, чтобы позволить человеку воспринимать всю сцену.
Но как нейроны представляют объекты в разных системах отсчета, когда вы перемещаетесь по окружающей среде??
В статье, опубликованной в журнале Nature Neuroscience, исследователи из Рочестерского университета, в том числе Грег ДеАнджелис, профессор мозговых и когнитивных наук, исследовали, как нейроны в мозге представляют движение объекта, в то время как наблюдатель также движется.
В частности, исследователи изучали, как наблюдатели оценивают движение объекта относительно головы наблюдателя или относительно мира.
Их выводы – что нейроны в определенной области мозга более гибки при переключении между опорными системами – предлагают важную информацию о внутренней работе мозга и потенциально могут быть использованы в нейронном протезировании и терапии для лечения заболеваний мозга.
ФИКСИРОВАННЫЕ ИЛИ ГИБКИЕ НЕЙРОНЫ?
Представьте, что вы играете в футбол. Если вы бежите и хотите ударить по мячу головой, вам нужно будет вычислить траекторию движения мяча относительно вашей головы, чтобы вы могли установить контакт между головой и мячом.
Поэтому была бы полезна система координат с центром в голове. В качестве альтернативы, если вы бежите и смотрите, как ваш товарищ по команде пинает мяч к воротам, вам нужно будет вычислить траекторию мяча относительно ворот, чтобы определить, забил ли ваш товарищ по команде. Для этого потребуется система координат с центром в мире, поскольку цель фиксирована относительно мира.
«В зависимости от выполняемой задачи мозг должен представлять движение объекта в разных системах координат, чтобы добиться успеха», – говорит ДеАнгелис. "Большой вопрос: как мозг это делает?"
Исследователи хотели определить, должен ли мозг переключаться между разными нейронами, каждый из которых имеет разную фиксированную систему отсчета – например, переключение между нейронами, центрированными на голове, и нейронами, центрированными на мире, – или же нейроны являются гибкими и обновляют свои ссылки. кадры в соответствии с мгновенными требованиями задачи представления движения объекта.
Исследователи обучили испытуемых судить о движении объекта в координатах, центрированных на голове или мире, и переключаться между ними от испытания к испытанию на основе сигнала.
Исследователи записали сигналы от нейронов в двух разных областях мозга и обнаружили, что нейроны вентральной интрапериетальной (VIP) области мозга обладают замечательным свойством: их реакции на движение объекта меняются в зависимости от задачи.
То есть нейроны не имеют фиксированных систем отсчета, а вместо этого гибко адаптируются к требованиям задачи и соответственно меняют свои системы отсчета.
Нейроны в VIP будут представлять движение объекта в координатах по центру головы, когда субъекты должны сообщать о движении объекта относительно своей головы. Они представляют движение объекта в центрированных по миру координатах, когда от субъекта требовалось сообщить о движении объекта относительно мира.
Поскольку нейроны имеют такие гибкие ответы, это означает, что мозг может значительно упростить процесс передачи информации, необходимой для управления действиями.
«Это первое исследование, показывающее, что нейроны могут гибко представлять пространственную информацию, такую как движение объекта, в различных системах координат на основе инструкций, данных субъекту», – говорит ДеАнгелис. "Это означает, что мозг может декодировать – или" считывать "- информацию из этой единственной популяции нейронов и иметь возможность получать информацию, необходимую для любой задачи."
VIP-зона расположена в теменной доле мозга и получает сигналы от зрительных, слуховых и вестибулярных органов (внутреннее ухо). Это первое исследование для проверки гибких систем отсчета, поэтому VIP-зона – единственная известная зона, обладающая этим свойством. Однако исследователи подозревают, что нейроны в других областях мозга также могут обладать этим свойством.
ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ НЕЙРОПРОТЕЗИРОВАНИЯ И ЗАБОЛЕВАНИЙ МОЗГА
Исследование предлагает важную информацию о внутренней работе мозга и потенциально может быть использовано для таких приложений, как нейронное протезирование, в котором активность мозга используется для управления искусственными конечностями или транспортными средствами.
«Чтобы создать эффективный нейронный протез, вам нужно собирать сигналы из областей мозга, которые были бы наиболее полезными и гибкими для выполнения основных задач», – говорит ДеАнгелис. "Если эти задачи включают, например, перехват движущихся объектов, то прослушивание сигналов от VIP может быть способом заставить протез эффективно работать для множества задач, которые будут включать оценку движения относительно головы или окружающего мира."
Хотя это исследование в настоящее время не связано с конкретным заболеванием мозга, исследователи ранее обнаружили, что способность людей воспринимать сенсорную информацию и делать выводы о том, какие события в мире вызвали этот сенсорный ввод, – способность, известная как причинный вывод, – нарушена в такие расстройства, как аутизм и шизофрения.
«В текущей и будущей работе мы изучаем нейронные механизмы этого процесса причинного вывода более подробно, используя связанные задачи, которые включают взаимодействие между движением объекта и его самодвижением», – говорит ДеАнгелис.