The relation between cardinal axes, spatial cells and navigation performance
Obtaining unbiased spatial information is a prerequisite for accurate spatial orientation, navigation, and spatial memory. Common sources for obtaining such spatial information are 2D maps and 3D visualizations of space. However, the exact way external spatial representations are integrated into a cognitive map is still not fully understood. Currently, there is much research on the cells forming the spatial map in the hippocampal and parahippocampal cortices. In interaction with other cell types, grid cells appear to play a dominant role in the formation of the cognitive spatial map. Grid cells are characterized by repeated firing fields arranged in a sixfold rotational symmetry. Using a path integration task, we investigated whether artificial spatial elements mirroring the sixfold rotational symmetry can improve navigation performance. This would be an indication that grid cells respond to these artificial elements. In the reported study, we investigated the influence of artificial cardinal axes arranged with 60° (matched to grid cell symmetry) and 30° (mismatched to grid cell symmetry) angles in a reduced 3D spatial environment. Although, the results are not conclusive, they do indicate a trend that participants benefit from a 60° angle in trials with moderate difficulty. Thus, we found the first evidence that mirroring their sixfold rotational symmetry with artificial cardinal axes may trigger grid cells. Future studies should investigate this connection in more detail and a virtual 3D environment shown by head-mounted displays. This might lead to a more detailed insight into the neuropsychological mechanisms underlying the transfer from maps and 3D environments in the cognitive map and how this can be optimized.
Die Beschaffung nicht verzerrter räumlicher Informationen stellt eine grundlegende Voraussetzung für die exakte räumliche Orientierung, Navigation und das räumliche Gedächtnis dar. Eine gängige Quelle für die Gewinnung räumlicher Informationen sind 2D-Karten sowie 3D-Visualisierungen des Raums. Allerdings besteht noch keine vollständige Klarheit darüber, auf welche Weise externe räumliche Darstellungen in eine kognitive Karte integriert werden. Gegenwärtig wird intensiv zu den Zellen geforscht, die die räumliche Karte im hippocampalen und parahippocampalen Kortex bilden. In Kooperation mit anderen Zelltypen scheinen Gitterzellen eine dominierende Funktion bei der Konstruktion der kognitiven Raumkarte einzunehmen. Gitterzellen sind dadurch gekennzeichnet, dass ihre Aktivität durch wiederholte Aktivitätsmuster in einer sechsfachen Rotationssymmetrie charakterisiert ist. Im Rahmen einer Pfadintegrationaufgabe wurde untersucht, ob die Integration künstlicher räumlicher Elemente, welche die sechsfachen Rotationssymmetrien widerspiegeln, zu einer Optimierung der Navigationsleistung führt. Das würde den Schluss zulassen, dass Gitterzellen auf diese Elemente reagieren. Im Rahmen der vorliegenden Studie wurde der Einfluss von künstlichen Kardinalachsen untersucht, die in einem Winkel von 60° (passend zur Gitterzellensymmetrie) und 30° (nicht passend zur Gitterzellensymmetrie) in einer reduzierten 3D-Raumumgebung angeordnet waren. Die Ergebnisse sind zwar nicht eindeutig, zeigen jedoch einen Trend an. So weisen Versuche mit mittlerem Schwierigkeitsgrad auf einen Vorteil der 60°-Winkel hin. Dies deutet darauf hin, dass die Spiegelung ihrer sechsfachen Rotationssymmetrie mit künstlichen Kardinalachsen zu Aktivität bei Gitterzellen führen kann. In künftigen Studien sollte der Zusammenhang detaillierter und in einer virtuellen 3D-Umgebung untersucht werden, die über Head-Mounted Displays dargestellt wird. Dies könnte zu einem detaillierteren Einblick in die neuropsychologischen Mechanismen führen, welche dem Transfer von Karten und 3D-Umgebungen in die kognitive Karte zugrunde liegen, sowie zu einer Optimierung desselben.
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