¿Cómo estima el cerebro humano las distancias espaciales y los tiempos de viaje (actúan como los sistemas de navegación GPS)?

Answer 1

La forma en que el cerebro resuelve las tareas cognitivas de alto nivel en el nivel neuronal es poco conocida.

Una cosa de la que podemos estar bastante seguros, sin embargo, es que el cerebro no está estimando el tiempo de viaje al calcular una ruta detallada y sumar todos los segmentos. Es seguro decir que el cerebro utiliza heurísticas y técnicas de estimación de alto nivel que pueden resolverse estadísticamente en muy pocos pasos, ya que la “velocidad del reloj” del cerebro es muy lenta.

El aprendizaje por refuerzo y el aprendizaje por diferencia temporal en el paradigma del aprendizaje automático pueden ser un buen punto de partida para adivinar qué está sucediendo en el cerebro. En este tipo de algoritmos, las probabilidades y los valores de recompensa para diferentes estados (ubicaciones) y acciones (rutas) se estiman y actualizan a lo largo de la experiencia continua. Estas estimaciones cortas se utilizan cuando se requieren estimaciones y decisiones rápidas. En general, las estimaciones tienden a ser buenas y mejoran con el tiempo.

Estimar el tiempo requerido para llegar a algún lugar es conceptualmente similar a estimar cómo alcanzar cualquier meta. Determinar la estrategia que tendrá el menor esfuerzo requiere una forma de estimar el esfuerzo. El tiempo de viaje es simplemente un tipo de esfuerzo.

Así que para destinos familiares, el cerebro probablemente “busca” el promedio de viajes anteriores. Y para destinos desconocidos, el cerebro probablemente encuentra destinos “similares” y promedia su tiempo. Es posible que se usen uno o dos puntos de paso si se requiere agregar segmentos.

En cuanto a las áreas cerebrales utilizadas, el hipocampo, que es parte integral de la navegación y el rastreo espacial, al menos en roedores, puede ser un lugar para mirar. Se han encontrado neuronas especiales que codifican la extensión espacial (“celdas de la cuadrícula”) y la distancia de hito (“colocar la precesión de la celda”). El proceso de seguimiento de dónde se encuentra durante la locomoción se denomina “integración de ruta”, consulte [1]. Por otro lado, un estudio posterior descubrió que el hipocampo no era necesario para la integración de la trayectoria en humanos. [2] El esfuerzo requerido para alcanzar los objetivos parece estar representado en la corteza prefrontal, por lo que esa es otra región del cerebro a considerar. Se ha encontrado que el lóbulo parietal está involucrado en la representación del espacio accesible (el espacio que puede ver a su alrededor) en lugar del espacio de navegación, por lo que parece poco probable que sea fundamental para la estimación compleja del tiempo de viaje. Pero quién sabe.

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[1] McNaughton (2006). Integración del camino y las bases neuronales del ‘mapa cognitivo’. Revisiones de la naturaleza de la neurociencia . (Integración del camino y las bases neuronales del ‘mapa cognitivo’)

[2] Shrager Y, Kirwan CB, Squire LR (2008). Bases neuronales del mapa cognitivo: la integración de la ruta no requiere hipocampo o corteza entorrinal. PNAS . (Base neural del mapa cognitivo: la integración de la trayectoria no requiere hipocampo o corteza entorrinal)

Answer 2

Si tuviera que preguntarte qué tan lejos está DeKalb con el helicóptero, probablemente no puedas decírmelo de inmediato.

Esto se debe a que sus experiencias de vida aún no son suficientes para construir prototipos con los cuales recontextualizar el problema en una forma familiar (y familiar). Algunas personas imaginativas / artísticas podrían llegar a estimaciones aceptables después de pensar un poco (1), pero lo que terminen haciendo en sus cabezas no será tan automático como el tipo de cálculo más simple al que se refiere. (es decir, cuánto tiempo se tarda en conducir al supermercado).

En resumen, dependemos de un tipo de memoria de procedimiento para estimar las distancias diarias (2). ¡¡¡Y parece que al GPS que usamos para este propósito le gusta entrar en modo de suspensión (3) !!!

Referencias

1. Coulson, S. (2001). Saltos semánticos: cambio de marco y fusión conceptual en la construcción de significados, Cambridge Univ Pr.
2. Beattie, A., S. Klumpp, y col. (1988). “Dinámica del código de conjunto de hipocampo para el espacio”. Proc. Natl Acad Sci. USA 85: 4991. http://psych.stanford.edu/~jlm/P …
3. Wilson, MA y BL McNaughton (1994). “Reactivación de los recuerdos del conjunto del hipocampo durante el sueño”. Science 265 (5172): 676-679 http://www.weizmann.ac.il/neurob …

Answer 3

• Estudios recientes sugieren que la estimación de las distancias espaciales y los tiempos de viaje parece realizarse anatómicamente en la misma región del cerebro ( hipocampo ) por las neuronas llamadas células de lugar y células de tiempo. Algunos estudios sugieren que las células ubicadas y las llamadas de tiempo pueden ser las mismas neuronas. [1]
• Esta región del cerebro participa en el aprendizaje de relaciones que no solo son espaciales ( p . Ej., La cocina está a 5 m por el pasillo ), sino también temporal (el café está listo en 3 minutos después de presionar el botón; 10 minutos en auto) .
• Las respuestas a las preguntas “a qué distancia se encuentra A de B”, “cuánto tiempo se tarda en preparar una vez que se presiona el botón” no se recuperan de la memoria. Se utiliza una representación interna de relaciones espaciales y temporales para calcular la respuesta a preguntas novedosas que no son solo un resumen de la experiencia. [2] Figura 1
• Uno de los desafíos clave para el aprendizaje de las relaciones espaciales y temporales que pueden abarcar una variedad de escalas espaciales y temporales ( por ejemplo, de milisegundos a minutos ), es cómo estas grandes escalas pueden aprenderse mediante la plasticidad sináptica que tiene una ventana temporal fija que existe como mínimo. Cien milisegundos.
• Esto es posible solo si las relaciones espaciales y temporales de estímulos distantes están disponibles en el presente. Las celdas de lugar y las celdas de tiempo parecen hacer esto posible.
• Estos estudios sugieren que existe una conexión computacional profunda entre la codificación espacial y temporal en el hipocampo y puede servir para la función de aprendizaje de relaciones entre estímulos y ser la base para el cálculo de relaciones temporales y espaciales novedosas.
• Dado que el hipocampo tiene acceso a un código que captura relaciones espaciales y temporales, las relaciones semánticas pueden aprenderse extrayendo las regularidades entre las relaciones espaciales y temporales. Así, los mapas semánticos pueden construirse extrayendo regularidades espaciales y temporales. figura 3

¿Cuál es el mecanismo fundamental de representación del tiempo y el espacio?

• El espacio está representado en el hipocampo por células que son neuronas que se activan cuando un animal se encuentra en un lugar particular del entorno. Las celdas de ubicación, junto con las celdas de la cuadrícula, forman una representación interna o un mapa espacial. [6]
• La respuesta a la representación neuronal del tiempo aún está incompleta, aunque parece que las celdas de tiempo desempeñan un papel.
• En una sorprendente similitud con la colocación de células, las células de tiempo se activan cuando un animal se encuentra en un momento particular en una experiencia estructurada temporalmente, codifica el tiempo escalar y está controlado por las dimensiones temporales de la experiencia. Los estudios han demostrado que dicha codificación temporal no es atribuible a eventos externos, comportamientos específicos o dimensiones espaciales de una experiencia. En cambio, estas células representan el flujo del tiempo en memorias específicas. Junto con las celdas de lugar, estas celdas proporcionan una dimensión adicional que se integra con el mapeo espacial. Figura 1
• Las células del tiempo y las células del lugar pueden ser las mismas neuronas. Una línea de evidencia que respalda esta conclusión es que en ratas que realizan una tarea espacial alterna que incluye correr en una cinta de correr entre las alternaciones, el tiempo específico de disparo se puede identificar cuando se ejecuta en la cinta de correr y el lugar específico de fuego se puede identificar cuando las ratas atravesaron segmentos de un laberinto. Ambos tipos de células se observaron en la misma población de células registradas. También algunas de las neuronas que se activaron en un momento determinado en el tiempo ( células de tiempo ) también se activaron cuando las ratas pasaron por lugares específicos en el laberinto, lo que indica que la misma neurona funcionó como una célula de tiempo y una célula de lugar. Figura 2
• Las características adicionales de las células de tiempo son muy similares a las de las células de lugar, lo que sugiere que pueden ser las mismas neuronas.

Figuras

Figura 1. a | Una visualización ráster de la actividad de los picos de celdas de tiempo idealizadas, registradas simultáneamente (cada una se muestra en un color diferente). Para cada celda, la actividad se muestra como un ráster de picos para tres ensayos de ejemplo en los que la celda se dispara durante un breve período aproximadamente en el mismo momento en cada ensayo, y las celdas de tiempo de disparo posteriores se activan durante períodos más largos (lo que indica la codificación escalar de hora). b | En la misma sesión de grabación, cuando el período de tiempo se alarga (tiempo + n), las celdas que se muestran en la parte superior e inferior se activan en el mismo momento con respecto al principio y al final del período, respectivamente (lo que indica que su actividad está vinculada a esos límites temporales), mientras que las celdas que se muestran en el medio en la parte a han cesado de disparar y las nuevas celdas (note los nuevos colores en la parte b) se activan para completar el período, lo que refleja el “re-timing” en estas celdas para representar el alterado Dimensión temporal. Estas características son paralelas a las de las celdas de lugar, que normalmente se activan en ubicaciones adyacentes en el espacio y, cuando se alteran las señales espaciales críticas, permanecen unidas a las señales que aún están presentes o se “reasignan” para reflejar las dimensiones espaciales alteradas. Comentarios de la naturaleza Neurociencia

Figura 2. Aa | Diseño de una tarea no espacial en la que se observaron celdas de tiempo. Las ratas aprendieron a asociar cada uno de dos objetos visualmente distintos con una de dos tazas de arena perfumada (por ejemplo, el bloque verde se asoció con la taza con aroma a limón y la esfera púrpura se asoció con la taza con aroma de nuez moscada). En cada ensayo, las ratas se acercaron y tomaron muestras de uno de los dos objetos y, después de un retraso fijo (10 s o 20 s), fueron expuestos a uno de los dos olores. Si el olor coincidía con el objeto (por ejemplo, el olor a limón después de un bloque verde), la rata tuvo que cavar en la arena perfumada para recuperar una recompensa. Si el olor no coincidía con el objeto (no se muestra), no había recompensa disponible en la copa de olor y la rata no cavó. Ab | Dos ejemplos de celdas que ‘re-cronometraron’. A la izquierda, una celda que perdía progresivamente su campo de tiempo a medida que la demora se alargaba de 5 s, a 10 s, a 20 s. A la derecha, una celda que no se disparó cuando el período de retraso fue de 10 s, pero que se disparó (a aproximadamente t = 6–7 s) cuando el período de retraso fue de 20 s. Ac | El patrón de actividad espacial (campo de lugar) de la celda cuyo gráfico de trama se muestra a la derecha en la parte Ab. La actividad se grafica para todo el período de retraso (arriba) y para los primeros diez segundos sucesivos del período de retraso en cada bloque de prueba. Tenga en cuenta que la celda se activó en una ubicación en particular, pero solo durante el período de retraso de 20 s (sexta a séptima) del segundo (columna central) y no en los ensayos con un período de retraso de 10 s (columna izquierda y derecha; consulte también las tasas de disparo normalizadas en tiempo en la traza en la parte inferior). Ba | Diseño de una tarea de alternancia espacial. Las ratas corrían en una cinta de correr entre giros a la izquierda alternados y giros a la derecha en un laberinto en T (caminos indicados por flechas negras y grises). Bb, Bc | Los patrones de disparo de una neurona del hipocampo se muestran en los gráficos de trama (arriba), los histogramas de velocidad de disparo (medio) y la velocidad de disparo normalizada (abajo) en un rango de velocidades de cinta de correr. Cuando se grafica la descarga de acuerdo con el tiempo transcurrido (Bb), la celda se disparó a unos 14 s en la cinta rodante, independientemente de la velocidad. El trazado de los mismos datos según la distancia recorrida (Bc) revela que la celda disparó a diferentes distancias dependiendo de la velocidad. Estos experimentos demostraron que las neuronas del hipocampo pueden codificar el tiempo y el espacio conjuntamente (A) o pueden codificar solo el tiempo y no las dimensiones espaciales (B). Partes Ab y Ac reimpresas de Neuron, 71, MacDonald, CJ, Lepage, KQ, Eden, UT y Eichenbaum. Las “celdas de tiempo” del hipocampo de H. cubren la brecha en la memoria para eventos no contiguos, 737–749, © (2011), con permiso de Elsevier. Partes Bb y Bc reimpresas de Neuron, 78, Kraus, BJ, Robinson II, RJ, White, J

Comentarios de la naturaleza Neurociencia

Figura 3. Células conceptuales: los componentes básicos de las funciones de memoria declarativa, Nature reviews 2012

Referencias

1. Tiempo y espacio en el hipocampo, Investigación del cerebro, octubre de 2014
2. Celdas de tiempo en hippocmapus: una nueva dimensión para mapear recuerdos, Nature reviews, noviembre de 2014
3. Un marco matemático unificado para la codificación del tiempo, el espacio y las secuencias en la región del hipocampo, Jour of Neuroscience, marzo de 2014
4. Memoria episódica en animales no humanos. 2013
5. Tiempo: un atributo de aprendizaje asociativo. 2014
6. ¿Cuáles son las principales diferencias entre las celdas de la cuadrícula y las celdas de posición, y por qué los necesitamos a ambos?