Jak mozek filtruje hluk

Multidisciplinární tým vědců v Georgia Tech zjistil, jak laterální inhibice pomáhá našim mozkům zpracovávat vizuální informace, a mohl by rozšířit naše znalosti smyslového vnímání, což by vedlo k aplikacím v neuro-medicíně a umělé inteligenci.

Boční inhibice je, když určité neurony potlačují aktivitu jejich sousedních neuronů. Představte si kresbu umělce, ztmavnutí čáry kolem obrysů, zdůrazňování hranic mezi objekty a prostorem nebo objekty a jinými předměty. Srovnaně, ve vizuálním systému, laterální inhibice kontrastuje mezi různými vizuálními podněty.

„Tento výzkum se skutečně dostává k tomu, jak náš vizuální systém nejen zdůrazňuje důležité věci, ale také aktivně potlačuje irelevantní informace v pozadí,“ řekl vedoucí výzkumný pracovník Bilal Haider, docent v oddělení biomedicínského inženýrství Wallace H. Coulter. „Tato schopnost odfiltrovat rozptýlení je zásadní.“

Pochopení toho, jak tyto inhibiční mechanismy fungují, by mohlo poskytnout vhled do toho, proč lidé mají potíže s filtrováním rozptýlení nebo zaměření na to, co je důležité v podmínkách, jako je autismus nebo ADHD.

„Naše zjištění mohou také ovlivnit, jak navrhujeme Umělá inteligence a Neuronové sítě“řekl Haider, jehož tým Publikováno jeho práce tento měsíc v Neurověda přírody. „Současné systémy AI zacházejí se všemi výpočetními jednotkami stejně, ale mozek přišel na to, jak přiřadit specializované výpočetní role.“

Hlavním autorem byl Joseph Del Rosario, bývalý postgraduální student v Haider Lab. Dalším klíčovým přispěvatelem byla Hannah Choi, docentka ve škole matematiky a její výzkumná skupina v matematické neurovědě. Jejich tým vytvořil výpočetní modely pro testování biologických nálezů.

„Spolupráce s matematiky na to, aby skutečně porozuměla výpočetním principům, na nichž jsou tyto inhibiční procesy založeny, je skvělým příkladem toho, jak neurověda může informovat o oblastech jako AI,“ řekl Haider.

Jemné doladění vnímání

Studie se zaměřila na dva typy inhibičních neuronů ve vizuální kůře: neurony parvalbuminu (PV) a neurony somatostatinu (SST). Vědci použili optogenetiku – techniku, která používá světlo k řízení buněčné aktivity – k aktivaci PV a SST neuronů ve vizuální kůře myší. To, co pozorovali, bylo nápadné.

„Fascinující je, že se zdá, že různé typy inhibičních neuronů dělají zřetelné matematické výpočty k dosažení tohoto potlačení zorného pole,“ řekl Haider. „Nejedná se o proces univerzální velikosti.“

Když tým aktivoval PV neurony, citlivost na vizuální kontrast byla rovnoměrně snížena, jako je snížení jasu na monitoru počítače. Aktivace SST neuronů vyústila v nuanční změnu a změnila sklon křivky citlivosti kontrastu, což je graf ukazující, jak dobře může váš vizuální systém detekovat kontrast.

„V podstatě SST neurony jemné doladění našeho vnímání kontrastu silněji snížením zbytečných signálů,“ řekl Haider. „To je boční inhibice v práci. Tyto inhibiční neurony hrají hlavní roli v našem vnímání. Mozek se vyvinul toto přesné zapojení a dělení práce mezi různými typy neuronů, aby fungovaly jako brzdy ve vizuálním systému, stejně důležité jako urychlovač.“

Dopad laterální inhibice přesahuje vizuální systém. Podobné procesy mohou být také v práci v jiných smyslech, jako je sluch a dotek. Jak vědci rozvíjejí lepší porozumění tomu, jak mozkové filtrují smyslové informace, mohou objevit nové způsoby, jak posílit nebo obnovit náš celkový smyslový zážitek.

Haider poprvé vytvořil myšlenku na tuto práci před 10 lety, když byl postdokumentem. Domnívá se, že výzkum by mohl vést k nové léčbě vizuálních poruch a vést k flexibilnější AI.