Del 1: Miljødeformationer skifter dynamisk menneskelig rumlig hukommelse
Mar 22, 2022
Kontakt: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 E-mail:audrey.hu@wecistanche.com
Alexandra T. Keinath#1, Ohad Rechnitz#2, Vijay Balasubramanian3, Russell A. Epstein1
1 Institut for psykologi, University of Pennsylvania, Philadelphia, Pennsylvania
2Rappaport Fakultet for Medicin og Forskningsinstitut, Technion – Israel Institute of Technology, Haifa, Israel
3Department of Physics, University of Pennsylvania, Philadelphia, Pennsylvania # Disse forfattere bidrog lige så meget til dette arbejde.
Abstrakt
Sted- og gitterceller i hippocampus-formationen menes almindeligvis at understøtte et samlet og sammenhængende kognitivt kort over rummet. Denne kortlægningsmekanisme står over for en udfordring, når en navigator placeres i et velkendt miljø, der er blevet deformeret fra sin oprindelige form. Under sådanne omstændigheder kunne mange transformationer plausibelt tjene til at kortlægge en navigatørs velkendte kognitive kort til det deformerede rum. Tidligere empiriske resultater indikerer, at affyringsfelterne for gnaverplads- og gitterceller strækker sig eller komprimeres på en måde, der tilnærmelsesvis matcher den miljømæssige deformation, og menneskets rumligehukommelseudviser lignende forvrængninger. Disse effekter er blevet fortolket som bevis på, at omformning af et velkendt miljø fremkalder et analogt omformet kognitivt kort. Nyligt arbejde har imidlertid foreslået en alternativ forklaring, hvorved deformationsinducerede forvrængninger af gitterkoden kan tilskrives en mekanisme, der dynamisk forankrer gitterfelter til den senest oplevede grænse, og dermed forårsager historieafhængige skift i gitterfasen. Denne fortolkning rejser muligheden for, at menneskets rumligehukommelsevil udvise lignende historieafhængig dynamik. For at teste denne forudsigelse lærte vi deltagerne placeringen af objekter i et virtuelt miljø og undersøgte derefter dereshukommelsefor disse steder i deforme versioner af dette miljø. På tværs af tre eksperimenter med variabel adgang til visuelle og vestibulære signaler observerede vi det forudsagte mønster, hvorved de huskede placeringer af objekter blev flyttet fra forsøg til forsøg afhængigt af oprindelsesgrænsen for deltagerens bevægelsesbane. Disse resultater giver bevis for en dynamisk forankringsmekanisme, der styrer både neuronal affyring og rumlighukommelse.
Cistanche kan forbedre hukommelsen
1|INTRODUKTION
Hippocampus-formationen opretholder en repræsentation af rummet gennem den koordinerede aktivitet af en række funktionelt adskilte celletyper. Blandt de mest velkarakteriserede af disse celletyper er stedceller og gitterceller. Pladsceller er sparsomt aktive celler i hippocampus, der er indstillet til forskellige foretrukne placeringer (O'Keefe & Dostrovsky, 1971), mens gitterceller er bredt aktive celler i den mediale entorhinale cortex, der er indstillet til et sekskantet gitter af foretrukne steder, der tessellerer det sejlbare rum (Hafting, Fyhn, Molden, Moser, & Moser, 2005). Ifølge en mangeårig hypotese understøtter disse celler et "kognitivt kort", som i den klassiske formulering består af et euklidisk koordinatsystem, der gør det muligt for en navigatør at definere steder i rummet og afstande og retninger mellem dem (O'Keefe & Nadel , 1978). I overensstemmelse med denne idé har mange teoretiske artikler undersøgt, hvordan sted- og gitterceller kan understøtte elementerne i kortbaseret navigation, herunder selvlokalisering, vektorberegning og fleksibel ruteplanlægning (Burak & Fiete, 2009; Bush, Barry, Manson, & Burgess, 2015; Fiete, Burak, & Brookings, 2008; McNaughton, Battaglia, Jensen, Moser, & Moser, 2006).
For at et kognitivt kort (eller enhver rumlig repræsentation) kan være nyttigt, skal det være forankret til omgivelserne (Epstein, Patai, Julian, & Spiers, 2017; Gallistel, 1990). Geometrien af miljøet som defineret af miljøgrænser har vist sig at spille en særlig afgørende rolle ved forankring af skydefelter af sted og gitterceller. For eksempel, sted og gitterfelt orienterer sig mod væggene i eksperimentelle kamre (Kinath, Julian, Epstein, & Muzzio, 2017; Krupic, Bauza, Burton, Barry, & O'Keefe, 2015; Weiss et al., 2017) og gittergitter udviser karakteristiske inhomogeniteter, der er relateret til kammergeometri i et kvadratisk (Stensola, Stensola, Moser, & Moser, 2015) og trapezformede (Krupic et al., 2015) miljøer. Desuden, når et velkendt miljø omformes, for eksempel ved at flytte grænserne, så miljøet strækkes eller komprimeres langs én dimension, forvrænges sted- og gitterfelter på stereotype måder (Barry, Hayman, Burgess, & Jeffery, 2007; Krupic, Bauza, Burton, & O'Keefe, 2018; McNaughton et al., 1996; O'Keefe & Burgess, 1996; Stensola et al., 2012): at strække eller komprimere miljøet får nogle cellers gittermønster til at strække eller komprimere at matche deformationen (Barry et al., 2007; Savelli, Yoganarasimha, & Knierim, 2008; Stensola et al., 2012) (Figur 1a), og strækning får de foretrukne placeringer af stedceller til at strække sig og/eller dele sig (O 'Keefe & Burgess, 1996). Disse resultater viser, at miljømæssige grænser kan fungere som ankre, der påvirker placeringen og formen af sted og gitterfelter.
Navnlig er analoge effekter af miljøgeometri blevet observeret i menneskelig rumlighukommelse(Bellmund et al., 2020; Chen, He, Kelly, Fiete, & McNamara, 2015; Hartley, Trinkler, & Burgess, 2004). For eksempel, når menneskelige deltagere bliver bedt om at erstatte objekter på huskede steder i et trapezformet virtuelt miljø eller om at estimere afstande mellem disse objekter, laver de fejl, der afspejler de forvrængninger, der observeres i gnavergitterfelter (Bellmund et al., 2020). På samme måde, når menneskelige deltagere bliver bedt om at udskifte objekter på lærte steder i omskalerede virtuelle miljøer, danner deres svar en fordeling, der er strakt og/eller todelt, svarende til svarene fra gnaverstedsceller (Hartley et al., 2004; O'Keefe) & Burgess, 1996), og når de bliver bedt om at estimere deres egne placeringer, er deres svar skæve på måder, der er i overensstemmelse med den observerede omskalering af gitterkoden (Barry et al., 2007; Chen et al., 2015). Den slående overensstemmelse mellem miljøgrænsernes indflydelse på både neurale optagelser og navigationsadfærd antyder, at i dette særlige tilfælde kan begge tilgange analysere lignende komponenter af kognition. Denne lighed er især overraskende i betragtning af det begrænsede omfang af neurale optagelser i forhold til omfanget af den hjerne, der producerer adfærden, og de mange tilfælde, hvor indsigt fra undergrupper af disse neurale repræsentationer ikke kan generaliseres til adfærd både inden for og på tværs af arter (Ekstrom, Harootonian, & Huffman, 2020; Jeffery, Gilbert, Burton, & Strudwick, 2003; Krakauer, Ghazanfar, Gomez-Marin, MacIver, & Poeppel, 2017; Warren, 2019; Zhao, 2018).
Tilsammen er disse resultater blevet taget for at indikere, at det kognitive kort er i det mindste delvist formbart afhængigt af miljøets geometri (Barry et al., 2007; Ocko, Hardcastle, Giocomo, & Ganguli, 2018). For eksempel, når et velkendt miljø er deformeret, menes navigatorens interne repræsentation af rummet at blive strakt eller komprimeret, så den passer til dimensionerne af det omformede miljø, muligvis på grund af rekalibrering af hastighedsestimering/stiintegration eller lokalt visuelt input (Bush & Burgess , 2014; Jayakumar et al., 2019; Munn, Mallory, Hardcastle, Chetkovich, & Giocomo, 2020; Ocko et al., 2018; Raudies & Hasselmo, 2015; Sheynikhovich, Chavarriaga, Strösslin, Arleo, 200st9).
Der er dog andre mulige forklaringer på de reskaleringseffekter, der observeres under miljødeformationer (Cheung, Ball, Milford, Wyeth, & Wiles, 2012; Keinath et al., 2018). Under en sådan alternativ konto er de tilsyneladende forvrængninger observeret i rumlige skydefelter og rumligehukommelseunder miljødeformationer afspejler en historieafhængig proces, hvorved gitterfasen er dynamisk forankret til nyligt oplevede grænser og efterfølgende opdateret via selvbevægelsesinformation (Cheung et al., 2012; Hardcastle, Ganguli, & Giocomo, 2015; Keinath et al., 2018; Savelli, Luck, & Knierim, 2017). Under deformationer vil en sådan forankring forårsage skift i gitterfasen, som bevarer det velkendte forhold mellem gitterfasen og den senest kontaktede grænse. Disse forskydninger vil fremstå som forvrængninger i de tidsgennemsnitlige gitterfelter, selvom den rumlige metriske værdi faktisk opretholdes i forhold til den senest kontaktede væg (figur 1a). På et algoritmisk niveau hævder denne konto, at en navigator selvlokaliserer via stiintegration, som nulstilles, når en velkendt grænse stødes på. I deforme miljøer forudsiger denne dynamiske forankring eksistensen af skævheder i selvlokalisering, som er uforholdsmæssige, når navigatøren begynder baner, der stammer fra modsatrettede forskudte grænser. Sådanne skævheder i selvlokalisering kan afspejles i rumlighukommelseunder aktiv navigation til en husket position (Figur 1b).
I en tidligere rapport leverede vi neurale og modellerende beviser for grænseafhængige skift i gitterfase, der bidrager til fremkomsten af et omskaleret tidsgennemsnit af gittermønster under miljødeformationer (Kinath et al., 2018). Bevis på dynamiske skift i gitter
fase er også blevet observeret i virtuelle miljødeformationer (Chen, Lu, King, Cacucci, & Burgess, 2019). Her tester vi, om en sådan dynamisk forankring også kan observeres i menneskelig rumlighukommelseunder miljødeformationer. Deltagerne i de nuværende eksperimenter lærte placeringen af objekter i firkantede virtuelle miljøer. Bevidst, de blev bedt om at gå til de huskede placeringer af disse objekter. Uden at deltagerne vidste det, blev miljøerne ved testen strakt eller komprimeret langs én dimension. Vi forudsagde, at udskiftningsplaceringerne ville blive forskudt langs den deformerede akse, med retningen af skiftet afhængig af oprindelsesgrænsen. Vi fandt ud af, at denne forudsigelse blev bekræftet i tre separate eksperimenter under variable visuelle og vestibulære forhold ved brug af både desktop og immersive virtual reality (VR). Disse resultater styrker forbindelsen mellem hippocampus rumlige repræsentationer og rumligehukommelseunder miljødeformationer og giver specifik dokumentation til fordel for en dynamisk forankringsmekanisme, der styrer selvlokalisering inden for gnavere rumlige repræsentationer og menneskelige rumligehukommelseens.
2|RESULTATER
2.1|Eksperiment 1: Desktop virtuelt miljø med fuld visuel information tilgængelig
Først testede vi, om mennesket er rumligthukommelseer forspændt af oprindelsesgrænsen, når et velkendt miljø er deformeret, og lokaliserende visuel information er tilgængelig. Til dette formål brugte vi desktop virtual reality (VR) til at teste deltagernesminde omplaceringer af fire navngivne objekter i et rum, med et design tilpasset fra tidligere undersøgelser (Doeller & Burgess, 2008) (figur 2 og S1a). Deltagerne lærte placeringen af disse objekter ved at "samle" dem én ad gangen og demonstrerede derefter deres rumligehukommelseved at "erstatte" dem på deres huskede steder. I "saml" forsøg var en af de fire genstande synlig i rummet. Deltagerne startede et tilfældigt sted i miljøet og navigerede til objektet. I "udskift"-forsøg var der ingen genstande synlige i rummet. Deltagerne fik navnet på et af de fire objekter og navigerede til dets huskede placering, startende fra en startposition tæt på og vendt mod midten af en af væggene.
Forsøget var sammensat af to blokke. Hver blok begyndte med otte "indsaml"-forsøg, efterfulgt af en sekvens på 16 forsøgspar bestående af et "erstat"-forsøg umiddelbart efterfulgt af en "indsaml"-forsøg (som tjente til at give feedback om den korrekte placering for det pågældende objekt). I erstatning-saml-sekvensen blev hvert objekt udskiftet fire gange, startende hver gang fra en position, der vender mod midten af en anden væg (nord, syd, øst, vest; NSEW). Under den første blok forblev miljøet udeformeret gennem alle forsøg. I løbet af den anden blok blev miljøet enten strakt (n= 24 deltagere) eller komprimeret (n= 24 deltagere; tilfældigt tildelt) under erstatningsforsøg ved at øge/mindske længden af væggene med 50 procent langs en akse (figur 2). Gulv-, væg- og loftteksturerne blev ikke omskaleret, men blev i stedet afkortet (under kompressioner) eller fortsatte med at flisebelægge det nye rum (under strækninger). For at sikre, at deltagerne kun lærte placeringen af objekter på deres udeformerede velkendte steder, blev miljøet aldrig deformeret under indsamlingsforsøg. Ingen forskelle i blok 1-nøjagtighed (afstand fra den korrekte placering, middel ± SEM, strakt: 29,42 ± 2,09 virtuelle enheder, vu; komprimeret: 30,13 ± 1,48 vu; Wilcoxon rangsum-test, to-halet: W=607 , p= .703) eller reaktionstid (strakt: 16,14 ± 1,13 s; komprimeret: 15,46 ± 1,99 s; Wilcoxon rangsum-test, tosidet: W=519, p{{31} } .158) blev observeret mellem deltagere, der blev tildelt de strakte versus komprimerede forhold, hvilket indikerer, at begge grupper lærte opgaven lige godt.
Vi antog, at under deformationsblokken ville udskiftningsplaceringer af et objekt blive forskudt for at forspænde denne placering i den retning, der bedst bevarer den lærte afstand mellem den velkendte objektplacering og startgrænsen i hvert forsøg (figur 1b). Således forudsagde vi, at i et strakt miljø ville erstatningsplaceringerne i individuelle forsøg blive flyttet mod oprindelsesgrænsen for navigatørens bane sammenlignet med den udskiftede medianplacering. Ligeledes forudsagde vi, at i et komprimeret miljø ville erstatningsplaceringen i individuelle forsøg blive flyttet væk fra oprindelsesgrænsen sammenlignet med den udskiftede medianplacering.
For at teste denne forudsigelse udførte vi følgende beregning (figur 3). Først justerede vi median-erstatningsplaceringerne og ignorerer oprindelsesgrænsen på tværs af de fire objekter. Dernæst opdelte vi disse justerede data baseret på oprindelsesgrænsen (NSEW) og beregnede medianudskiftningsplaceringen separat for hver grænse. Til sidst beregnede vi forskydning langs hver akse som forskydningen mellem at erstatte steder med modsatrettede oprindelsesgrænser langs den akse. For at kvantificere EW (NS)-forskydning beregnede vi for eksempel median-erstatningsplaceringen af justerede vestlige (sydlige) oprindelsesgrænseforsøg minus justerede østlige (nordlige) oprindelsesgrænseforsøg, idet vi ignorerede ethvert skift langs NS (EW)-aksen. Til sidst beregnede vi forskellen i skiftet mellem de deformerede (EW) og udeformerede (NS) dimensioner. Med disse konventioner forudsiger grænseforankringsregnskabet, at en øst-vest (nord-syd) strækning af miljøet skal føre til en positiv forskydningsforskel i erstatningsplaceringerne, mens kompression skal føre til en negativ forskydningsforskel.
Under deformationsblokken observerede vi faktisk en positiv forskydningsforskel for at erstatte forsøg i det strakte miljø (Wilcoxon signed-rank test vs. 0, ensidet: W=232, p=.0096) og en negativ forskydningsforskel for erstatningsforsøg i det komprimerede miljø (Wilcoxon signed-rank test vs. 0, one-tailed: W=61, p= .0055) . Forskellen i skiftforskel mellem de to miljøer var signifikant (Wilcoxon rank-sum test, ensidet: W=426, p= .0009; figur 4 og S2a). De to miljøer adskilte sig ikke i et skift langs den udeformerede dimension (Wilcoxon rank-sum test: W=653, p= .1835). Udskiftningssteder i de deformerede miljøer blev således flyttet afhængigt af oprindelsesgrænsen, som forudsagt af en grænseforankringskonto.
Navnlig havde deltagerne en tendens til at vende væk fra oprindelsesgrænsen, når de udskiftede genstande (figur S3). Hvis deltagerne bestemte, at de erstattede placeringer baseret på visuel opfattelse af afstanden til den dominerende visuelle grænse på tidspunktet for objektudskiftning, så ville det omvendte mønster af skiftforskelle blive forudsagt (positiv skiftforskel i det komprimerede miljø; negativ skiftforskel i det strakte miljø miljø). Det er således usandsynligt, at skift i objekterstatningsplaceringer, vi observerede, skyldtes forankringen af erstatningslokationen til den dominerende visuelle grænse på udskiftningspunktet, snarere end forankring til grænsen, hvorfra navigationsepisoden begyndte. Ikke desto mindre, på grund af forudindtaget prøveudtagning af dominerende visuelle grænser på tidspunktet for objektudskiftning (figur S3), var vi ikke i stand til at anvende den samme skiftanalyse til eksplicit
udelukke denne alternative konto. Vi adresserer denne mulighed direkte i eksperiment 2 ved at manipulere tilgængeligheden af visuelle grænser under udskiftning af objekter.
Den afgørende del af vores tilgang er, at vi analyserede dataene separat for hver oprindelsesgrænse. Når dataene blev analyseret uden hensyntagen til oprindelsesgrænsen, lignede mønsteret for at erstatte placeringer under deformationsblokke en reskalering af de velkendte objektplaceringer, der kvalitativt matchede omskaleringen af miljøet (Figur S4), svarende til tidligere resultater (Chen et al. ., 2015; Hartley et al., 2004). En statisk koordinattransformation, der kortlægger kendte objektplaceringer til deformerede erstatningsplaceringer, fanger således det generelle mønster af objekterstatningsplaceringer i middeldataene. Det kan dog ikke redegøre for den stiafhængige dynamik, vi observerer.
Tilsammen indikerer disse resultater, at menneskets rumligehukommelseer dynamisk forankret til oprindelsesgrænsen i deforme miljøer, når fuld visuel information er tilgængelig. Deltagerne har en tendens til at rekapitulere objektets afstand fra startgrænsen, selvom det betyder, at de erstatter objektet på inkonsekvente steder i det deformerede rum.
