Boundary Vector Cells (BVCs) are a class of neurons in the brains of vertebrates that encode environmental boundaries at specific distances and allocentric directions, playing a central role in forming place fields in the hippocampus. Most computational BVC models are restricted to two-dimensional (2D) environments, making them prone to spatial ambiguities in the presence of horizontal symmetries in the environment. To address this limitation, we incorporate vertical angular sensitivity into the BVC framework, thereby enabling robust boundary detection in three dimensions, and leading to significantly more accurate spatial localization in a biologically-inspired robot model. The proposed model processes LiDAR data to capture vertical contours, thereby disambiguating locations that would be indistinguishable under a purely 2D representation. Experimental results show that in environments with minimal vertical variation, the proposed 3D model matches the performance of a 2D baseline; yet, as 3D complexity increases, it yields substantially more distinct place fields and markedly reduces spatial aliasing. These findings show that adding a vertical dimension to BVC-based localization can significantly enhance navigation and mapping in real-world 3D spaces while retaining performance parity in simpler, near-planar scenarios.


翻译:边界向量细胞(BVCs)是脊椎动物大脑中一类神经元,能在特定距离和异向方向上编码环境边界,在海马体形成位置场中起核心作用。现有计算BVC模型大多局限于二维环境,易在环境水平对称性下产生空间歧义。为解决此局限,我们将垂直角度敏感性融入BVC框架,实现三维空间的鲁棒边界检测,并在仿生机器人模型中显著提升空间定位精度。该模型通过处理激光雷达数据捕捉垂直轮廓,从而区分纯二维表征中无法辨别的位点。实验结果表明:在垂直变化最小的环境中,所提三维模型与二维基线性能相当;但随着三维复杂度增加,该模型能产生更显著差异化的位置场,并大幅降低空间混叠效应。这些发现表明,在基于BVC的定位系统中引入垂直维度,可在保持简单近平面场景性能的同时,显著增强真实三维空间中的导航与建图能力。

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