Rozpoznávání objektů ve tvaru předchozí zkušenosti jako mozek se přizpůsobuje novým vizuálním informacím, ukazuje studie

Naše mozky začínají vytvářet vnitřní reprezentace světa kolem nás od prvního okamžiku, kdy otevřeme oči. Díky neuronů ve vizuální kůře vnímáme komponenty scén do rozpoznatelných objektů.

K tomuto procesu dochází podél ventrální vizuální kortikální dráhy, která sahá od primární Vizuální kůra v zadní části mozku do časových laloků.

Dlouho se předpokládá, že specifické neurony podél této cesty zpracovávají specifické typy informací v závislosti na tom, kde se nacházejí, a že dominantní tok vizuálních informací je dopředu, až do hierarchie vizuálních kortikálních oblastí. Přestože je již dlouho známo, že existuje zpětný směr kortikálních spojení, často označovaných jako zpětná vazba, jeho funkční role byla málo pochopena.

Probíhající výzkum z laboratoře Charlese D. Gilberta z laboratoře univerzity Rockefeller University odhaluje důležitou roli zpětné vazby podél vizuální cesty.

Jak jeho tým ukazuje v papíru Publikováno v PNASTento protiproudový proud nese tzv. „shora dolů“ informace napříč kortikálními oblastmi, které jsou informovány našimi předchozími setkáními s objektem.

Jedním z důsledků tohoto toku je to, že neurony v této cestě nejsou stanoveny v jejich citlivosti, ale mohou se přizpůsobit okamžiku na okamžik informacím, které dostávají.

„Dokonce i v prvních fázích vnímání objektu jsou neurony citlivé na mnohem složitější vizuální podněty, než se dříve věřilo, a tato schopnost je informována zpětnou vazbou z vyšších kortikálních oblastí,“ říká Gilbert, šéf laboratoře neurobiologie.

Jiný tok

Gilbertova laboratoř zkoumala základní aspekty toho, jak jsou informace reprezentovány v mozku po mnoho let, především studiem obvodů, které jsou základem vizuálního vnímání a vnímání učení ve vizuální kůře.

„Klasický pohled na tuto cestu navrhuje, aby neurony na jeho začátku mohli vnímat jednoduché informace, jako je segment linky, a že složitost zvyšuje dále po hierarchii, kterou půjdete, dokud nedosáhnete neuronů, které reagují pouze na konkrétní úroveň složitosti,“ říká.

Předchozí zjištění z jeho laboratoře naznačují, že tento pohled může být nesprávný. Jeho skupina například zjistila, že vizuální kůra je schopna změnit své funkční vlastnosti a obvody, což je kvalita známá jako plasticita. A v práci s jeho kolegou Rockefeller (a vítězem Nobelovy ceny) Torsten N. Wiesel objevil Gilbert horizontální spojení s dlouhým dosahem podél kortikálních obvodů, které neurony umožňují propojit kousky informací na mnohem větší oblasti zorného pole, než se předpokládalo.

Je také zdokumentován, že neurony mohou přepínat své vstupy mezi těmi, které jsou relevantními úkoly, a těmi, které jsou irelevantní, což podtrhuje obratnost jejich funkčních vlastností.

„Pro tuto studii jsme se snažili zjistit, že tyto schopnosti jsou součástí našeho normálního procesu Rozpoznání objektů“říká.

Vidění je porozumění

Gilbertova laboratoř strávila několik let studiem páru makaků, které byly vyškoleny v rozpoznávání objektů pomocí obrázků různých předmětů, s nimiž zvířata mohla nebo nemusí mít obeznámení, jako je ovoce, zelenina, nástroje a stroje.

Jak se zvířata naučila tyto objekty rozpoznávat, vědci sledovali své aktivita mozku Použití fMRI k identifikaci, které regiony reagovaly na vizuální podněty. (Tuto metodu byl průkopníkem Gilbertova kolega Rockefeller Winrich Freiwald, který ji použil k identifikaci oblastí mozku, které reagují na tváře.)

Poté implantovali elektrodová pole, což jim umožnilo zaznamenávat aktivitu jednotlivých nervových buněk, protože zvířata byla zobrazena obrazy objektů, které byly vyškoleny k rozpoznání. Někdy jim byl zobrazen celý objekt a jindy částečný nebo pevně oříznutý obraz. Pak jim bylo ukázáno řadu různých vizuálních podnětů a naznačili, zda našli shodu s původním objektem nebo ne.

„To se nazývají zpožděné úkoly shody-to-vzoru, protože existuje zpoždění mezi tím, když vidí narážku objektu, a když je zobrazen druhý objekt nebo komponentu objektu, ke které jsou vyškoleni, aby hlásili, zda druhý obrázek odpovídá počátečnímu narážce,“ říká Gilbert.

„Zatímco se dívají skrz všechny vizuální podněty, aby našli zápas, musí použít svou pracovní paměť, aby měli na paměti původní obraz.“

Adaptivní zpracování

Vědci zjistili, že v celé řadě vizuálních cílů může jeden neuron reagovat na jeden cíl a s dalším narážkou budou reagovat na jiný cíl.

„Dozvěděli jsme se, že tyto neurony jsou adaptivní procesory, které se mění na okamžik na okamžik, přičemž přijímají různé funkce, které jsou vhodné pro bezprostřední behaviorální kontext,“ říká Gilbert.

Rovněž prokázali, že neurony nalezené na začátku cesty, o nichž se předpokládá, že jsou omezeny na reakci na jednoduché vizuální informace, nebyly ve skutečnosti tak omezeny ve svých schopnostech.

„Tyto neurony jsou citlivé na mnohem složitější vizuální podněty, než se dříve věřilo,“ říká. „Zdá se, že není tak velký rozdíl, pokud jde o stupeň složitosti reprezentované v raných kortikálních oblastech vzhledem k vyšších kortikálních oblastech, jak se dříve myslelo.“

Tato zjištění podporují tomu, co Gilbert věří, je nový pohled na kortikální zpracování: že neurony dospělých nemají pevné funkční vlastnosti, ale jsou místo toho dynamicky vyladěny a mění své specificity s různým smyslovým zážitkem.

Pozorování kortikální aktivity také odhalilo potenciální funkční roli vzájemných propojení zpětné vazby při rozpoznávání objektů, kde tok informací z vyšších kortikálních oblastí k těmto nižších přispívá k jejich dynamické schopnosti.

„Zjistili jsme, že tato tzv.„ Zpětná vazba shora dolů “zprostředkovává informace z oblastí vizuální kůry, které představují dříve uložené informace o povaze a identitě objektů, které se získávají prostřednictvím zkušeností a behaviorálního kontextu,“ říká.

„V jistém smyslu kortikální oblasti vyššího řádu vysílají instrukci do spodních oblastí, aby provedli konkrétní výpočet, a zpětný signál-přívětivý signál-je výsledkem tohoto výpočtu. Tyto interakce pravděpodobně fungují neustále, protože rozpoznáváme objekt a, což obecně řečeno, dává vizuální smysl pro naše okolí.“

Aplikace pro výzkum autismu

Zjištění jsou součástí rostoucího uznání důležitosti a prevalence toku informací o zpětné vazbě ve vizuální kůře – a možná daleko za.

„Tvrdil bych, že interakce shora dolů jsou ústřední pro všechny mozkové funkce, včetně jiných smyslů, kontroly motoru a kognitivních funkcí vyššího řádu, takže pochopení buněčného a obvodového základu pro tyto interakce by mohlo rozšířit naše chápání mechanismů, které jsou základem poruch mozku,“ říká Gilbert.

Za tímto účelem začíná jeho laboratoř zkoumat zvířecí modely autismu jak na úrovni chování, tak i na úrovni zobrazování. Will Snyder, specialista na výzkum v Gilbertově laboratoři, bude studovat vnímavé rozdíly mezi myšími autismus a jejich vrhu divokého typu.

Ve spojení bude laboratoř pozorovat velké neuronální populace v mozcích zvířat, když se zabývají přirozeným chováním pomocí vysoce pokročilých neuroimagingových technologií v Elizabeth R. Miller Brain Observatory, interdisciplinárním výzkumném středisku, které se nachází na Rockefellerově kampusu.

„Naším cílem je zjistit, zda dokážeme identifikovat nějaké percepční rozdíly mezi těmito dvěma skupinami a provozem kortikálních obvodů, které mohou tyto rozdíly pod ní pod nimi,“ říká Gilbert.