Почему наши глаза больше привлекают одни формы, цвета и силуэты, чем другие? Более полувека исследователи знали, что нейроны зрительной системы мозга больше реагируют на одни изображения, чем на другие, – функция, которая имеет решающее значение для способности распознавать, понимать и интерпретировать множество визуальных подсказок, окружающих нас. Например, определенные популяции зрительных нейронов в области мозга, известной как нижняя височная кора головного мозга, активизируются, когда люди или другие приматы – животные с хорошо настроенной зрительной системой – смотрят на лица, места, объекты или текст.
Но на что именно реагируют эти нейроны, остается неясным.
Небольшое исследование на макаках, проведенное исследователями из Института Блаватника при Гарвардской медицинской школе, дало некоторые ценные подсказки на основе системы искусственного интеллекта, которая может надежно определить, какие нейроны в зрительной коре головного мозга предпочитают видеть.
Отчет о работе команды опубликован 2 мая в Cell.
На сегодняшний день в подавляющем большинстве экспериментов, направленных на измерение нейронных предпочтений, использовались реальные изображения. Но реальные изображения несут в себе врожденную предвзятость: они ограничены стимулами, доступными в реальном мире, и изображениями, которые исследователи выбирают для тестирования. Программа на основе ИИ преодолевает это препятствие, создавая синтетические изображения, адаптированные к предпочтениям каждого нейрона.
Уилл Сяо, аспирант кафедры нейробиологии Гарвардской медицинской школы, разработал компьютерную программу, которая использует форму отзывчивого искусственного интеллекта для создания саморегулирующихся изображений на основе нейронных реакций, полученных от шести обезьян-макак. Для этого исследователи измерили скорость возбуждения отдельных зрительных нейронов в мозгу животных, когда они смотрели изображения на экране компьютера.
В течение нескольких часов животным показывали изображения в виде импульсов по 100 миллисекунд, каждый из которых был сгенерирован программой Сяо. Изображения начинались со случайного текстурного рисунка в оттенках серого. В зависимости от того, насколько активны отслеживаемые нейроны, программа постепенно вводила формы и цвета, трансформируясь со временем в окончательное изображение, которое полностью отражало предпочтения нейрона. По словам Сяо, поскольку каждое из этих изображений является синтетическим, оно позволяет избежать предвзятости, которую исследователи традиционно вносят, используя только естественные изображения.
"В конце каждого эксперимента," он сказал, "эта программа генерирует суперстимул для этих клеток."
По словам Ливингстона, результаты этих экспериментов были согласованы в разных прогонах: определенные нейроны имели тенденцию формировать изображения с помощью программы, которые не были идентичными, но были удивительно похожими.
Некоторые из этих изображений соответствовали тому, что она и ее коллеги ожидали. Например, нейрон, который, как они подозревали, мог реагировать на лица, превратился в круглые розовые изображения с двумя большими черными точками, похожими на глаза. Другие были более удивительными. Например, нейрон одного из животных постоянно генерировал изображения, похожие на тело обезьяны, но с красным пятном на шее. В конце концов исследователи поняли, что эта обезьяна была размещена рядом с другой обезьяной, которая всегда носила красный ошейник.
"Мы думаем, что этот нейрон преимущественно реагировал не только на тела обезьяны, но и на конкретную обезьяну," сказал старший научный сотрудник исследования Маргарет Ливингстон, профессор нейробиологии Такеда в HMS.
Не каждое окончательное изображение выглядело как что-то узнаваемое, добавил Сяо. Нейрон одной обезьяны превратился в маленький черный квадрат. Другой развил аморфную черную форму с оранжевым внизу.
Ливингстон отмечает, что исследования, проведенные в ее и других лабораториях, показали, что реакции этих нейронов не являются врожденными – вместо этого они приобретаются путем последовательного воздействия со временем на зрительные стимулы. По словам Ливингстона, неизвестно, когда возникает эта способность распознавать определенные изображения и стрелять преимущественно из них. Она и ее коллеги планируют изучить этот вопрос в будущих исследованиях.
Изучение того, как зрительная система реагирует на изображения, может быть ключом к лучшему пониманию основных механизмов, которые вызывают когнитивные проблемы, начиная от неспособности к обучению и заканчивая расстройствами аутистического спектра, которые часто сопровождаются нарушениями способности ребенка обрабатывать мимические сигналы и распознавать лица.
"Эта неисправность в аппарате обработки изображений головного мозга может мешать ребенку подключаться, общаться и интерпретировать основные сигналы," она сказала. "Например, изучая те клетки, которые преимущественно реагируют на лица, мы могли бы раскрыть ключи к разгадке того, как происходит социальное развитие и что иногда может идти наперекосяк."