Исследования Университета Джонса Хопкинса проливают новый свет на то, как млекопитающие отслеживают свое положение и ориентацию во время движения, показывая, что одни только визуальные сигналы движения позволяют мозгу корректировать и перекалибровывать свою внутреннюю карту даже при отсутствии стабильных визуальных ориентиров.

Их результаты опубликованы в журнале Nature Neuroscience.

«Когда вы перемещаетесь в пространстве, вы получаете массу конкурирующей сенсорной информации, сообщающей вам, где вы находитесь и как быстро вы движетесь, и ваш мозг должен это осмыслить», — сказал соруководитель исследования Ноа Коуэн, профессор машиностроения в Школе инженерии Уайтинга и директор Лаборатории локомоции в механических и биологических системах (LIMBS).

«Результаты нашего исследования демонстрируют, что, как ни странно, мозг может выполнять эту непрерывную перекалибровку, не имея очевидных внешних ориентиров, которые бы указывали нам наше положение. Мозг может корректировать свое внутреннее чувство скорости с помощью своей пространственной карты, используя подсказки исключительно из оптического потока : визуальных моделей движения, которые люди воспринимают, перемещаясь в пространстве».

Коуэн сотрудничал в проекте с Джеймсом Книримом, профессором нейронауки в Институте разума и мозга имени Занвила Кригера Школы искусств и наук Кригера и Институте открытий нейронауки Кавли при Университете Джонса Хопкинса.

Исследователи знали, что, например, когда человек идет по туннелю, покрытому разметкой, его мозг определяет скорость, с которой разметка движется мимо, помогая ему оценить пройденное расстояние и свое относительное положение в пространстве.

Команда ученых задалась целью определить, окажет ли изменение скорости движения разметки мимо идущего человека или ее удаление существенное влияние на реакцию мозга.

«Мы хотели разобраться в механизмах того, как наш мозг вычисляет «пройденное расстояние» только на основе информации о скорости», — сказал Коуэн. «Нейроны в нашем гиппокампе «загораются», как синяя точка GPS на вашем телефоне. Мы выдвинули гипотезу, что связь между оптическим потоком и «обновлением синей точки» можно перекалибровать в VR — и мы обнаружили, что это возможно».

Книрим объяснил, что исследователи стремились определить, смогут ли они надежно контролировать чувство местоположения лабораторной крысы на ее когнитивной карте, искусственно изменяя объем оптического потока, который она получает в системе виртуальной реальности .

«Мы обнаружили, что, используя принципы теории управления, мы можем точно контролировать когнитивную карту , используя только сигналы оптического потока, тем самым демонстрируя, что этот давно предполагаемый входной сигнал действительно использовался системой интеграции путей крысы», — сказал Книрим.

Команда построила купол виртуальной реальности и спроецировала на его стены светящиеся полосы. Капли шоколадного молока заманивали крыс ходить по куполу. Полоски должны были служить подсознательным ключом к скорости грызунов и их общему местоположению в пространстве.

Когда команда настроила полоски так, чтобы они вращались в противоположном направлении по отношению к крысам, когда они делали шаг, реакция гиппокампа животных показала, что они думали, что движутся в два раза быстрее, и их чувство местоположения было искажено.

Через некоторое время, когда полосы были выключены, исследователи обнаружили, что крысы все равно воспринимали себя движущимися быстрее, чем на самом деле.

Коуэн сказал, что уже известно, что мозг млекопитающих использует положения ориентиров относительно друг друга для определения местоположения и калибровки приблизительной скорости. Не было известно, будет ли мозг млекопитающего перекалибровывать свою скорость с помощью своей ментальной карты при отсутствии каких-либо ориентиров.

«Как ваш мозг осуществляет эту перекалибровку при отсутствии ориентиров, и тот факт, что он вообще это делает, ранее не был известен, и мы показываем это в этом исследовании», — сказал он.

Результаты исследования дают ценную информацию в двух ключевых областях. Во-первых, они проливают свет на функционирование гиппокампа млекопитающих, области мозга, участвующей в болезни Альцгеймера и других видах деменции, а во-вторых, исследование отвечает на давний вопрос о базовой биологии того, как животные ориентируются в мире.

«Поскольку навигационная система так тесно связана с системой памяти мозга, мы надеемся, что понимание того, как она создает эти когнитивные карты, даст представление о том, как память ослабевает в процессе старения и при деменции», — сказал Книрим.

Но результаты также имеют значение для робототехники. Коуэн отметил, что открытие может также послужить основой для разработки алгоритмов искусственного интеллекта и машинного обучения, предназначенных для интеграции визуальной информации с представлениями пространства, в конечном итоге прокладывая путь для воплощенных когнитивных систем.