Китайские ученые создали математическую модель, описывающую работу мозга при пространственной навигации. Она показывает, каким образом человек или животное может определить свое местоположение и построить внутреннюю карту пространства даже в помещениях, которые практически не отличаются друг от друга. Исследование опубликовано в журнале Neurocomputing.
В основе модели лежит взаимодействие энторинальной коры и гиппокампа — двух областей мозга, связанных с формированием когнитивной карты окружающего мира. Исследователи сосредоточились на двух видах нейронов. Граничные векторные клетки реагируют на стены и другие элементы обстановки, а клетки сетки помогают отслеживать перемещение организма, фактически выполняя роль внутреннего счетчика расстояния и направления.
Авторы работы выяснили, что эти два механизма дополняют друг друга. Один канал получает информацию о геометрии пространства, второй ориентируется на собственную траекторию движения. Благодаря этому мозг способен различать даже внешне одинаковые места.
Например, если две комнаты имеют одинаковую форму и расположение стен, одной информации об окружающей обстановке недостаточно, чтобы понять, в какой именно из них находится человек. В такой ситуации мозг использует историю перемещений: учитывает пройденное расстояние и последовательность поворотов от момента входа. Получившаяся внутренняя траектория помогает определить конкретное положение.
Работает механизм и в обратную сторону. Если маршрут остается прежним, но расположение стен меняется, новая геометрия становится дополнительной точкой отсчета. Мозг может сопоставить ее с уже накопленной информацией о движении и скорректировать внутреннюю карту.
За согласование двух потоков данных в предложенной модели отвечают два механизма. Латеральное торможение позволяет активным нейронам подавлять соседние клетки, а хеббовская пластичность усиливает связи между нейронами, которые одновременно проявляют активность.
Исследователи также добавили к системе алгоритм планирования маршрута. В результате модель успешно находила нужную точку в лабиринтах с неоднозначной геометрией. Более ранние подходы для решения подобных задач часто использовали дополнительные искусственные ориентиры, например отдельный механизм распознавания дверных проемов.
Поиск принципов работы пространственной навигации мозга продолжается несколько десятилетий. В 1970-х годах Джон О’Киф обнаружил у крыс клетки места, активирующиеся при нахождении животного в определенных участках пространства. В 2005 году Мэй-Бритт и Эдвард Мозеры открыли клетки сетки. За эти исследования ученые впоследствии получили Нобелевскую премию. При этом то, каким образом мозг объединяет разные виды пространственной информации в сложной и неоднозначной среде, до сих пор оставалось не до конца понятно.
По мнению авторов, их модель может оказаться полезной не только для изучения работы гиппокампа. Разработку планируют рассматривать как основу для создания роботов и дронов, способных ориентироваться по принципам, напоминающим работу мозга. Подобные системы могут пригодиться там, где спутниковая навигация недоступна: внутри зданий, под землей и в других труднодоступных местах.
Источник новости: hi-tech.mail.ru
