Популярная теория нейробиологии, называемая предсказательным кодированием, предполагает, что мозг все время производит ожидания, которые сравниваются с поступающей информацией. Ошибки, возникающие из-за различий между фактическим вводом и прогнозом, затем итеративно минимизируются в соответствии с иерархической схемой обработки. Предполагается, что такая пошаговая итерация приводит к обновлению прогнозов мозга, так что внутренние ошибки прогнозирования окончательно устраняются. Нейробиологи из Рурского университета Бохума (RUB) вместе с коллегами из Фрайбургского университета показывают, что это не совсем так. Вместо этого они демонстрируют, что ошибки предсказания могут иногда проявляться как визуальная иллюзия при просмотре быстрых последовательностей изображений. Таким образом, ошибки прогнозирования остаются доступными на заключительных этапах обработки, формируя восприятие, вместо того, чтобы их объяснять. Поэтому предыдущие теории прогнозирующего кодирования необходимо пересмотреть. Об исследовании сообщается в PLOS One 4 мая 2020 г.
Визуальная система начинает делать прогнозы в течение нескольких миллисекунд
Чтобы зафиксировать объекты внешнего мира, глаза совершают более 100 000 быстрых движений в день, называемых саккадами. Однако как только глаза отдыхают примерно на 100 миллисекунд, мозг начинает делать прогнозы. Различия между предыдущим и текущим содержимым изображения затем передаются на последующие этапы обработки как ошибки прогнозирования. Преимущество работы с различиями вместо полной информации об изображении очевидно: аналогично методам сжатия видео объем данных резко сокращается. Еще одно преимущество проявляется только со второго взгляда: по статистике, существует высокая вероятность того, что следующая саккада попадет в места, где различия с предыдущим содержимым изображения самые большие. Таким образом, расчет потенциальных изменений содержимого изображения по мере отличия от предыдущего содержимого подготавливает визуальную систему на раннем этапе к новому вводу.
Чтобы проверить, использует ли мозг такую стратегию, авторы представили добровольцам быстрые последовательности двух изображений. На первом изображении две решетки наложены друг на друга; на втором изображении присутствовала только одна из решеток. Задача заключалась в том, чтобы сообщить об ориентации последней увиденной одиночной решетки. В большинстве случаев участники правильно указали ориентацию нынешней ориентации, как и ожидалось. Однако удивительно, что в некоторых случаях наблюдатель воспринимал ориентацию, которая была точно ортогональной текущей ориентации, то есть участники иногда видели разницу между предыдущими наложенными решетками и нынешней одиночной решеткой. "Увидеть разницу вместо реального текущего ввода здесь – это визуальная иллюзия, которую можно интерпретировать как прямое наблюдение ошибки предсказания," говорит Роберт Штадт из Института нейронных вычислений RUB, первый автор исследования.
Гибкость, позволяющая избежать “ голубого пятна ”
"В рамках теории предсказательного кодирования ошибки предсказания в основном рассматриваются в контексте более высоких когнитивных функций, которые связаны с сознательными ожиданиями. Однако мы демонстрируем, что ошибки предсказания также играют роль в контексте высокодинамичных событий восприятия, которые происходят за доли секунды," объясняет доктор. Дирк Янке, руководитель группы оптических изображений в Институте нейронных вычислений. Настоящее исследование показывает, что визуальная система одновременно хранит информацию о прошлом, настоящем и возможном будущем содержании изображения. Эта стратегия обеспечивает стабильность и гибкость при просмотре быстрых последовательностей изображений. "В целом, наши результаты подтверждают гипотезы, которые рассматривают восприятие как результат процесса принятия решений," говорит Янке. Следовательно, ошибки прогнозирования не следует устранять слишком рано, поскольку они могут стать актуальными для следующих событий.
Визуальное восприятие лежит в основе принятия решений
В последующих исследованиях ученые изучат наборы параметров, которые наиболее эффективно управляют иллюзией восприятия. Помимо простых физических параметров, таких как продолжительность стимула, яркость и контраст, могут быть задействованы и другие, более неуловимые факторы, которые характеризуют психологические особенности. Долгосрочная перспектива авторов заключается в разработке практических визуальных тестов, которые могут быть использованы для ранней диагностики когнитивных расстройств, связанных с быстрыми процессами принятия решений.