Исследование показывает, что распознавание объектов формируется на основе предыдущего опыта, поскольку мозг адаптируется к новой визуальной информации
Наш мозг начинает создавать внутренние представления окружающего нас мира с первого момента, как мы открываем глаза. Мы перцептивно собираем компоненты сцен в узнаваемые объекты благодаря нейронам в зрительной коре.
Этот процесс происходит вдоль вентрального зрительного коркового пути, который простирается от первичной зрительной коры в задней части мозга до височных долей.
Долгое время считалось, что определенные нейроны вдоль этого пути обрабатывают определенные типы информации в зависимости от того, где они расположены, и что доминирующий поток визуальной информации — это прямая связь, вверх по иерархии зрительных корковых областей. Хотя давно известно, что существует обратное направление корковых связей, часто называемое обратной связью, его функциональная роль была мало изучена.
Текущие исследования в лаборатории Чарльза Д. Гилберта из Рокфеллеровского университета раскрывают важную роль обратной связи по зрительному пути.
Как демонстрирует его группа в статье, опубликованной в PNAS , этот встречный поток переносит так называемую «нисходящую» информацию через области коры головного мозга, которая формируется на основе наших предыдущих встреч с объектом.
Одним из следствий этого потока является то, что нейроны в этом пути не фиксированы в своей реакции, а могут адаптироваться к получаемой ими информации в каждый момент времени.
«Даже на первых этапах восприятия объектов нейроны чувствительны к гораздо более сложным визуальным стимулам, чем считалось ранее, и эта способность обусловлена обратной связью из высших областей коры», — говорит Гилберт, руководитель Лаборатории нейробиологии.
Другой поток
Лаборатория Гилберта на протяжении многих лет исследовала фундаментальные аспекты представления информации в мозге, в первую очередь путем изучения схем, лежащих в основе зрительного восприятия и перцептивного обучения в зрительной коре.
«Классический взгляд на этот путь предполагает, что нейроны в его начале могут воспринимать только простую информацию, такую как отрезок линии, и что сложность увеличивается по мере продвижения вверх по иерархии, пока вы не достигнете нейронов, которые будут реагировать только на определенный уровень сложности», — говорит он.
Предыдущие открытия его лаборатории указывают на то, что эта точка зрения может быть неверной. Например, его группа обнаружила, что зрительная кора способна изменять свои функциональные свойства и схемы, качество, известное как пластичность. А в работе, проделанной со своим коллегой по Рокфеллеру (и лауреатом Нобелевской премии) Торстеном Н. Визелем, Гилберт обнаружил дальние горизонтальные связи вдоль корковых схем, которые позволяют нейронам связывать биты информации на гораздо больших участках поля зрения, чем считалось ранее.
Он также задокументировал, что нейроны могут переключать свои входные сигналы между теми, которые имеют отношение к задаче, и теми, которые не имеют отношения к задаче, что подчеркивает гибкость их функциональных свойств.
«В текущем исследовании мы пытались установить, являются ли эти способности частью нашего обычного процесса распознавания объектов », — говорит он.
Видеть — значит понимать
Лаборатория Гилберта потратила несколько лет на изучение пары макак, обученных распознавать объекты с использованием изображений различных объектов, с которыми животные могли быть знакомы или не знакомы, например, фруктов, овощей, инструментов и машин.
По мере того как животные учились распознавать эти объекты, исследователи отслеживали активность их мозга с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии, чтобы определить, какие области реагировали на визуальные стимулы. (Этот метод был впервые предложен коллегой Гилберта по Рокфеллеровскому институту Винрихом Фрайвальдом, который использовал его для определения областей мозга, реагирующих на лица.)
Затем они имплантировали электродные массивы, которые позволили им регистрировать активность отдельных нервных клеток, когда животным показывали изображения объектов, которые они были обучены распознавать. Иногда им показывали полный объект, а иногда — частичное или сильно обрезанное изображение. Затем им показывали множество различных визуальных стимулов и указывали, нашли ли они соответствие оригинальному объекту или нет.
«Это называется отложенными заданиями на сопоставление с образцом, потому что существует задержка между моментом, когда испытуемые видят объектную подсказку, и моментом, когда им показывают второй объект или компонент объекта, на который их обучают отвечать, соответствует ли второе изображение первоначальной подсказке», — говорит Гилберт.
«В то время как они просматривают все визуальные стимулы, чтобы найти соответствие, им приходится использовать свою рабочую память, чтобы удерживать в памяти исходное изображение».
Адаптивная обработка
Исследователи обнаружили, что среди ряда визуальных целей один нейрон может быть более восприимчивым к одной цели, а при наличии другого стимула он будет более восприимчивым к другой цели.
«Мы узнали, что эти нейроны — адаптивные процессоры, которые меняются в каждый момент времени, принимая на себя различные функции, соответствующие текущему поведенческому контексту», — говорит Гилберт.
Они также продемонстрировали, что нейроны, обнаруженные в начале пути, которые, как считалось, ограничены реакцией на простую визуальную информацию, на самом деле не были столь ограничены в своих возможностях.
«Эти нейроны чувствительны к гораздо более сложным визуальным стимулам, чем считалось ранее», — говорит он. «Похоже, что нет такой большой разницы в степени сложности, представленной в ранних корковых областях по сравнению с высшими корковыми областями, как считалось ранее».
Эти результаты подтверждают, по мнению Гилберта, новый взгляд на кортикальную обработку данных: нейроны взрослого человека не имеют фиксированных функциональных свойств, а вместо этого динамически настраиваются, меняя свою специфику в зависимости от изменяющегося сенсорного опыта.
Наблюдение за активностью коры головного мозга также выявило потенциальную функциональную роль обратных связей в распознавании объектов, где поток информации из высших областей коры головного мозга в эти низшие области способствует их динамическим возможностям.
«Мы обнаружили, что эти так называемые обратные связи «сверху вниз» передают информацию из областей зрительной коры, которые представляют собой ранее сохраненную информацию о природе и идентичности объектов, приобретенную через опыт и поведенческий контекст», — говорит он.
«В некотором смысле, корковые области более высокого порядка посылают команду нижним областям выполнить определенное вычисление, а обратный сигнал — сигнал прямой связи — является результатом этого вычисления. Эти взаимодействия, вероятно, будут происходить непрерывно, пока мы распознаем объект и, говоря шире, визуально воспринимаем наше окружение».
Заявки на исследования аутизма
Полученные результаты являются частью растущего признания важности и распространенности информационного потока обратной связи в зрительной коре головного мозга, а возможно, и далеко за ее пределами.
«Я бы сказал, что нисходящие взаимодействия играют центральную роль во всех функциях мозга, включая другие чувства, управление движениями и когнитивные функции более высокого порядка, поэтому понимание клеточной и схемной основы этих взаимодействий может расширить наше понимание механизмов, лежащих в основе расстройств мозга», — говорит Гилберт.
С этой целью его лаборатория начинает изучать модели аутизма у животных как на поведенческом, так и на уровне визуализации. Уилл Снайдер, исследователь в лаборатории Гилберта, будет изучать перцептивные различия между мышами-моделями аутизма и их дикими однопометниками.
Параллельно лаборатория будет наблюдать за большими популяциями нейронов в мозге животных, проявляющих естественное поведение, с использованием передовых технологий нейровизуализации в Обсерватории мозга Элизабет Р. Миллер — междисциплинарном исследовательском центре, расположенном в кампусе Рокфеллера.
«Наша цель — выяснить, сможем ли мы выявить какие-либо различия в восприятии между этими двумя группами, а также работу корковых цепей, которые могут лежать в основе этих различий», — говорит Гилберт.F