Исследование: как мозг реагирует на знакомые изображения

Когда человек рассматривает знакомое изображение, даже если раньше видел его всего один раз в течение нескольких секунд, в его мозге происходит нечто уникальное.

До недавнего времени нейробиологи считали, что активная деятельность в визуальной части мозга, называемой нижневисочной (НВ) корой, означает, что человек смотрит на что-то новое, например, на лицо незнакомца или на незнакомую картину. И напротив, меньшая активность НВ-коры головного мозга свидетельствует о знакомстве с предметом.

Но кое-что в этой теории, называемой угнетением повторений, насторожило нейробиолога Университета Пенсильвании Николь Раст. «Различные картинки вызывают разную степень активации, даже если все они новые», — говорит Раст. Помимо этого, другие факторы — например, яркость изображения или его контраст — приводят к аналогичному эффекту.

В статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, Николь Раст, а так же доктор наук Вахид Мерпур, научный сотрудник Университета Пенсильвании Трэвис Мейер и Ээро Симончелли из Нью-Йоркского университета предлагают новую теорию, в соответствии с которой мозг понимает уровень активации, ожидаемый от органов чувств, и корректирует его, оставляя сигнал для ознакомления. Они называют это подавлением сенсорных сигналов.

Зрительная система

Лаборатория Раст специализируется на системах и вычислительной нейробиологии. Они объединяют измерения нейронной активности и математическое моделирование, чтобы выяснить, что происходит в мозге. Один аспект относится к зрительной системе. «Большая центральная проблема зрения состоит в том, как передать информацию из мира в мозг интерпретируемым образом. Мы знаем, что чувственные системы должны ее разрушать», — говорит она.

Это сложный процесс, сильно упрощенный для ясности: информация попадает в глаз через палочки и колбочки. Нейрон за нейроном проходят через области мозга, составляющие зрительную систему, и, наконец, добираются к зрительной области мозга, называемой НВ-корой. 16 млн нейронов активируются по разным паттернам в зависимости от того, что человек видит, и мозг должен затем интерпретировать паттерны, чтобы понять, что он видит.

«Вы получаете один паттерн для определенного лица. Вы получаете другой паттерн для «кофейной чашки». Еще один — для «карандаша», — говорит Раст. — Вот, что делает зрительная система. Она создает мир, чтобы помочь вам расшифровать то, на что вы смотрите».

Считается, что активация НВ-коры участвует не только в зрении, но и в памяти. Подавление повторения, старая теория, основывается на идее о том, что существует порог активации: большее количество нейронной активности сообщает мозгу, что изображение новое, меньшее указывает, что человек уже видел его ранее.

Поскольку на общий объем нейронной активности в НВ-коре головного мозга, также называемой вспышками, влияют несколько факторов, мозг не может определить, что конкретно вызывает реакцию. По словам Мерпура, это может быть память, контраст изображения или что-то еще. «Мы предлагаем новую идею о том, что мозг корректирует изменения, вызванные другими факторами, в нашем случае — контрастом», — говорит он. После этой калибровки остается только изолированная активация мозга на знакомое. Другими словами, мозг понимает, когда он наблюдает за тем, что уже видел ранее.

Долгосрочные последствия

Чтобы сделать этот вывод, исследователи представили последовательности изображений в оттенках серого двум взрослым самцам макак-резус. Каждая картинка появлялась ровно дважды, первый раз как новая, второй раз — как знакомая, в диапазоне сочетаний высокой и низкой контрастности. Каждый просмотр длился ровно полсекунды. Животные были обучены использовать движения глаз, чтобы определять, новое или знакомое изображение, без учета уровней контрастности.

Когда макаки выполняли эту задачу, исследователи регистрировали нейронную активность в НВ-коре, измеряя вспышки для сотен отдельных нейронов, — уникальный метод, который отличается от методов, измеряющих показатели нейронной активности, объединяя в среднем по 10 тысяч сработавших нейронов. Поскольку Раст и ее коллеги хотели понять нейронный код, им нужна была информация по отдельным нейронам.

Используя математический подход, они расшифровали паттерны вспышек, которые объясняли, как макаки отличают память от новизны. Это в конечном итоге подтвердило их гипотезу. «Знакомство и новизна изменяют общую скорость вспышек, — говорит Раст. — Мы говорим, что мозг может разделять и изолировать одно от другого».

По словам Мерпура, в будущем для лучшего понимания этого процесса можно использовать искусственный интеллект. «Если мы знаем, как мозг представляет и перестраивает информацию в памяти при наличии изменений в сенсорной информации, такой как контраст, мы можем разработать системы искусственного интеллекта, которые работают таким же образом, — говорит он. — Мы могли бы создать машины, которые работают так же, как наш мозг».

Помимо этого, по словам Раст, их открытия в будущем могут иметь значение для лечения заболеваний, ухудшающих память, таких как болезнь Альцгеймера. «Понимая, как работает память в здоровом мозге, вы можете заложить основы мер профилактики и лечения расстройств, связанных с памятью, от которых страдают люди в преклонном возрасте».

Но для того, чтобы все это произошло, необходимо продолжать копать, говорит она. «Чтобы сделать все правильно, мы должны понять сигнал памяти, который управляет поведением». Эта работа приближает нейробиологов на один шаг ближе к решению.

Источник