Чтобы точно воспринимать направление движущихся объектов, крысы могут использовать небольшой, но очень полезный кластер зрительных нейронов, которые, похоже, работают так же, как «узорные клетки», обнаруженные в коре головного мозга приматов. Благодаря этим нейронам крысы могут полагаться на довольно продвинутую систему обработки движений, основанную на извлечении визуальной информации высокого уровня из изображений сетчатки.
Таковы выводы нового исследования SISSA, только что опубликованного в журнале Science Advances . Чтобы выяснить, содержит ли мозг крысы нейроны, которые способны решить «проблему апертуры», важный шаг в точном восприятии движения, команда под руководством профессора Давиде Зокколана зарегистрировала определенную группу клеток в зрительной коре крысы и проанализировала ее . их поведение с использованием моделей искусственного интеллекта для объяснения функций клеток.
Результаты показали, что эти нейроны действительно обладают свойствами, сравнимыми со свойствами «узорных клеток», обнаруженных в зрительной системе приматов. Понимание процессов, лежащих в основе функций этих клеток, может быть полезно не только для расширения нашего понимания зрительной системы, но и для вдохновения на разработку инновационных систем искусственного зрения.
Новое исследование доказывает, что крысы являются отличными животными моделями для этой цели, а также для изучения зрения и патологий, которые могут его поражать, таких как нейродегенеративные нарушения или нарушения нервного развития.
Как работает видение движения: проблема апертуры
«Оценка направления движения объекта — это очень сложное вычисление с точки зрения восприятия. Каждый объект состоит из множества различных частей, которые можно грубо рассматривать как набор ориентированных сегментов», — объясняет профессор Зокколан, который руководил исследованием.
Зокколан продолжает: «Нейроны на начальных стадиях нашей зрительной системы чувствительны к присутствию зрительных стимулов в очень небольшой части поля зрения (их «рецепторном поле»). Это означает, что каждый из них может «видеть» только в любой момент времени только один из этих ориентированных сегментов».
«В целом, это как если бы эти нейроны были способны разбить изображение объекта на множество мелких компонентов: множество маленьких, ориентированных сегментов. Это разложение является фундаментальным шагом в процессе, выполняемом нашей зрительной системой для интерпретации изображений. собирается сетчаткой. Однако это создает проблемы, когда дело доходит до восприятия движения».
«Фактически, эти нейроны могут измерять только компонент движения объекта, который перпендикулярен ориентированному контуру, который они кодируют. Например, это похоже на то, как если бы мы смотрели на свое окружение через крошечное отверстие: мы не смогли бы увидеть истинное, полное движение объекта. Это то, что эксперты называют «проблемой апертуры».
«Чтобы точно воспринимать направление движения сложного объекта, сигналы, подаваемые этими нейронами (известными как «компонентные» клетки), должны быть дополнительно обработаны и интегрированы, чтобы дать нам полное представление о движущемся объекте. У приматов Эта операция происходит в «дорсальном потоке», который начинается от первичной зрительной коры и достигает зрительных областей более высокого порядка в теменной доле, в рамках все более сложной иерархии функций», — продолжает Зокколан.
Информация, поступающая от составных клеток, затем достигает определенного типа специализированных нейронов нашей зрительной системы: паттерновых клеток. «Эти клетки могут обрабатывать все входящие данные, а затем интегрировать их, чтобы мы могли видеть движение объекта целиком», — объясняет Зокколан.
По словам ИИ, у крыс также есть специализированные глобальные детекторы движения.
«В нашем исследовании мы исследовали, какие из корковых зрительных нейронов у крыс подвергались проблеме апертуры и вели себя как составные клетки, а какие из них были невосприимчивы к ней и вели себя как структурные клетки», — объясняет Джулио Маттеуччи, первый автор исследования. исследование.
«Мы выявили небольшую популяцию нейронов паттерн-типа в двух разных зрительных областях коры головного мозга крыс. Это указывает на то, что мозг грызунов также содержит нейроны, которые способны обеспечивать реалистичное представление о движущихся объектах, аналогично тому, как это происходит в мозге грызунов. кора приматов», — продолжает исследователь.
«И это, несмотря на очевидные различия между двумя видами. У грызунов эти типы клеток встречаются в гораздо меньшем количестве и разбросаны по различным участкам зрительной коры, а не группируются в определенных областях, как это происходит у приматов. »
Чтобы понять, действительно ли клетки, наблюдаемые командой, можно считать «клетками-паттернами», исследователи прибегли к искусственному интеллекту.
«Мы работали с искусственными нейронными сетями — моделями глубокого обучения, которые могут точно воспроизводить различные аспекты поведения зрительных нейронов у приматов», — говорит Маттеуччи. Он объясняет: «Только разработав прогностические модели на основе этих нейронных сетей, мы смогли объяснить реакции крысиных паттерн-клеток. Именно так нам удалось исключить альтернативные гипотезы и подтвердить, что это на самом деле настоящие паттерн-клетки.»
Почему это исследование важно
«Наше исследование привело к нескольким интересным выводам», — говорит профессор Зокколан. «Во-первых, мы обнаружили, что зрительная система, которая намного проще нашей и имеет гораздо более мелкую иерархическую структуру, тем не менее может содержать нейроны высокого уровня, которые специализируются на сложной обработке движений. Это интересно с сравнительной точки зрения. Кроме того, это может спровоцировать новые вычислительные исследования и вдохновить на создание новых моделей искусственного зрения».
Вторая сильная сторона исследования касается перспектив будущих исследований. «За последние 15 лет грызуны широко использовались для изучения обработки зрительной информации, как в норме, так и в патологических условиях. Но вопрос для ученых-зрителей остается прежним: насколько эти животные являются хорошими моделями для исследования зрительных функций человека?»
«Благодаря этой работе мы предоставили дополнительные доказательства в поддержку вывода о том, что зрительная кора грызунов достаточно похожа на нашу, чтобы ее стоило изучать, тем самым используя необычайный набор экспериментальных инструментов, доступных у этих видов, для изучения нейронных цепей».
Фактически, будущая работа должна будет детально изучить, как функционируют эти специализированные нейроны у крыс. Давиде Зокколан заключает: «Мы знаем, что они ведут себя как шаблонные клетки , но мы еще не знаем схему нейронных цепей, лежащих в основе этой способности. Это вопрос, который открыт для будущих исследований».
Теги: ИИ, млекопитающие, обезьяны
