Vizuální systém mozku hraje při rozhodování větší roli, než se očekávalo

Když vidíte pytel mrkve v obchodě s potravinami, jde vaše mysl na brambory a pastinák nebo buvolí křídla a celer?

Záleží samozřejmě na tom, zda děláte vydatný zimní guláš nebo se chystáte sledovat Super Bowl.

Většina vědců souhlasí s tím, že kategorizace předmětu – jako je myslet na mrkev jako na kořenovou zeleninu nebo na večírku – je úkolem prefrontální kůry, mozkové oblasti odpovědné za uvažování a další funkce na vysoké úrovni, které nás činí inteligentní a sociální. V tomto účtu jsou oči a vizuální oblasti mozku jako bezpečnostní kamery, která shromažďuje data a zpracovává je standardizovaným způsobem, než je předávají pro analýzu.

Nová studie vedená biomedicínským inženýrem a neurovědec Nuttida Rungratsameetaweemana, docentka Columbia Engineering, však ukazuje, že vizuální oblasti mozku hrají a hrají aktivní role při smyslupření informací. Je důležité, že způsob, jakým interpretuje informace, závisí na tom, na čem zbytek mozku pracuje.

Pokud je neděle Super Bowl, vizuální systém vidí ty mrkve na vegetariánském podnosu, než prefrontální kůra ví, že existují.

Studie, která byla zveřejněna 11. dubna v Nature Communications, poskytuje některé z nejjasnějších důkazů, že časné smyslové systémy hrají roli při rozhodování-a že se přizpůsobují v reálném čase. Poukazuje také na nové přístupy pro navrhování AI systémů, které se mohou přizpůsobit novým nebo neočekávaným situacím.

Posadili jsme se s Rungratsameetaweemanou, abychom se dozvěděli více o výzkumu.

Co je na této nové studii vzrušující?

Naše zjištění zpochybňují tradiční názor, že časné smyslové oblasti v mozku jsou jednoduše „vypadající“ nebo „zaznamenávání“ vizuálního vstupu. Vizuální systém lidského mozku ve skutečnosti aktivně přetváří, jak představuje stejný stejný objekt v závislosti na tom, co se snažíte udělat. Dokonce i ve vizuálních oblastech, které jsou velmi blízké surové informace, které vstupují do očí, má mozek flexibilitu naladit jeho interpretaci a reakce na základě současného úkolu. Poskytuje nám nový způsob, jak přemýšlet o flexibilitě v mozku a otevírá nápady, jak potenciálně budovat adaptivnější AI systémy modelované po těchto nervových strategiích.

Jak jste dospěli k tomuto překvapivému závěru?

Většina předchozích prací se zabývala tím, jak se lidé v průběhu času učí kategorie, ale tato studie přiblíží k flexibilitě: Jak mozek rychle přepíná mezi různými způsoby organizace stejných vizuálních informací?

Jaké byly vaše experimenty?

Použili jsme funkční zobrazování magnetické rezonance (fMRI) k pozorování mozkové aktivity lidí, zatímco vkládají tvary do různých kategorií. Twist bylo, že „pravidla“ pro kategorizaci tvarů se neustále mění. To nám určíme, zda vizuální kůra mění, jak představuje tvary v závislosti na tom, jak jsme definovali kategorie.

Analyzovali jsme data pomocí nástrojů výpočetního strojového učení, včetně multivariačních klasifikátorů. Tyto nástroje nám umožňují zkoumat vzorce aktivace mozku v reakci na různé tvarové obrazy a měřit, jak jasně mozek rozlišuje tvary v různých kategoriích. Viděli jsme, že mozek reaguje odlišně v závislosti na tom, do jakých kategorií se naši účastníci třídí tvary.

Co jste viděli v datech z těchto experimentů?

Aktivita ve vizuálním systému – včetně primárních a sekundárních vizuálních kortik, které se zabývají daty přímo z očí – se prakticky každý úkol změnila. Reorganizovali svou aktivitu v závislosti na tom, která pravidla rozhodování, která lidé používají, což ukázalo, že se vzorce aktivace mozku stávají výraznějšími, když byl tvar blízko šedé oblasti mezi kategoriemi. Byly to nejobtížnější tvary, které bylo třeba oddělit, takže přesně to bylo, kdy by další zpracování bylo nejužitečnější.

Ve skutečnosti jsme mohli vidět jasnější neurální vzorce v datech fMRI v případech, kdy lidé odvedli lepší práci na úkolech. To naznačuje, že vizuální kůra nám může přímo pomoci vyřešit flexibilní kategorizační úkoly.

Jaké jsou důsledky těchto zjištění?

Flexibilní poznání je charakteristickým znakem lidského poznání a dokonce i nejmodernější systémy AI v současné době stále bojují s flexibilním výkonem úkolů. Naše výsledky mohou přispět k navrhování systémů AI, které se mohou lépe přizpůsobit novým situacím. Výsledky mohou také přispět k pochopení toho, jak by se kognitivní flexibilita mohla rozkládat v podmínkách, jako jsou ADHD nebo jiné kognitivní poruchy. Je to také připomínka toho, jak pozoruhodné a efektivní jsou naše mozky, dokonce i v nejranějších stádiích zpracování.

Co bude dál pro tuto linii výzkumu?

Neurovědu dále tlačíme studiem, jak flexibilní kódování funguje na úrovni nervových obvodů. S fMRI jsme se dívali na velké populace neuronů. V nové následné studii zkoumáme obvodové mechanismy flexibilního kódování zaznamenáváme neurologickou aktivitu uvnitř lebky. To nám umožňuje zeptat se, jak jednotlivé neurony a neuronální obvody v lidském mozku podporují flexibilní, cílově zaměřené chování.

Začínáme také zkoumat, jak by tyto myšlenky mohly být užitečné pro umělé systémy. Lidé jsou opravdu dobří při přizpůsobování se novým cílům, i když se pravidla mění, ale současné systémy AI často bojují s takovým druhem flexibility. Doufáme, že to, co se učíme z lidského mozku, nám může pomoci navrhnout modely, které se přizpůsobují plynuleji, nejen novým vstupům, ale novým kontexty.