Co myszy oglądające „Dotyk zła” Orsona Wellesa mogą nauczyć naukowców o wizji



Filmowcy nie wzdrygnęli się na widok eleganckiego mężczyzny, który włożył bombę zegarową do bagażnika kabrioletu, ani nie spięli się, gdy niczego niepodejrzewający kierowca i jego piękna blondynka towarzyszyli powoli w mieście pełno pieszych, ani nie wyskakiwali z nich miejsca, gdy bomba wybuchła w ognistej rzezi. I na pewno, jak do cholery, nie zachwycił ich kunszt techniczny tego słynnego pierwszego ujęcia arcydzieła noir z 1958 roku Orsona Wellesa, „Dotyk zła”, pojedynczego trzyminutowego ujęcia, które podnosi napięcie do 11 w skali 1 do 10.

Szczerze mówiąc, myszy laboratoryjne nie są filmami kinowymi. Ale tam, gdzie gryzonie nie spełniały roli krytyków filmowych, dostarczały więcej niż portale do mózgu. Gdy myszy oglądały klip filmowy, naukowcy podsłuchiwali korę wzrokową każdego z nich. Pod koniec badań podręcznikowe zrozumienie, w jaki sposób mózg „widzi”, zostało tak poważnie uszkodzone jak kabriolet „Dotyk Zła”, naukowcy w poniedziałek.

Naukowcy powiedzieli, że nowy wgląd w funkcjonowanie kory wzrokowej może ulepszyć technologie tak różnorodne, jak samochody samobieżne i protezy mózgu, aby niewidomi mogli zobaczyć.

„Neuronauka pozwala nam tworzyć lepsze systemy rozpoznawania obiektów” do, powiedzmy, samochodów samojezdnych i diagnostyki opartej na sztucznej inteligencji, powiedział Joel Zylberberg z York University, ekspert w dziedzinie uczenia maszynowego i neuronauki, który nie był zaangażowany w nowe badania. „Wizję komputerową utrudnia jednak niedostateczne zrozumienie przetwarzania wzrokowego w mózgu”. „Niespotykane” odkrycia w nowym badaniu, powiedział, obiecują to zmienić.

Zrozumienie podręcznika tego, jak widzi mózg, począwszy od strumieni fotonów lądujących na siatkówce, odzwierciedla badania z lat 60. XX wieku, które zdobyły dwóch swoich pionierów w medycynie w 1981 r. Zasadniczo utrzymuje neurony w pierwotnej korze wzrokowej, gdzie sygnały idź pierwszy, reaguj na krawędzie: krawędzie pionowe, krawędzie poziome i każda orientacja krawędzi pomiędzy, ruchome i statyczne. Widzimy ekran laptopa ze względu na to, jak jego krawędzie opierają się o to, co za nim, chodniki z powodu miejsca, w którym ich krawędzie dotykają krawężnika. Układy mózgowe wyższego rzędu przyjmują te podstawowe percepcje i przetwarzają je na postrzeganie sceny lub obiektu.

Od ponad dekady wiadomo, że ten model podręcznika jest częściowo błędny i w dużej mierze niekompletny, powiedziała neurobiolog Saskia de Vries z Allen Institute for Brain Science, która prowadziła badanie wzroku myszy. Aby sprawdzić, czy da sobie radę, ona i jej koledzy pokazali myszom proste siatki (wiele krawędzi), ruchome siatki i otwór „Dotyk Zła”, rejestrujący wynikającą z nich aktywność elektryczną setek neuronów w sześciu regionach każdej myszy Kora wzrokowa.

Które cechy wizualne, na które zareagowały neurony, pokazały, że podręcznikowy model „nie trzyma się zbyt dobrze”, powiedział de Vries. Tylko około 10% neuronów wzrokowych myszy reagowało na określone rodzaje krawędzi (proste lub pochylone, poziome lub pionowe, ostre lub rozmyte, tłuste lub smukłe) zgodnie z podręcznikową wersją kory wzrokowej, ona i jej koledzy zgłosili w Nature Neuroscience . Zamiast tego niektórzy reagowali tylko na ruchy mięśni twarzy, inni na kilka cech, a nie na jeden rodzaj krawędzi. Jednak inni, jak spekulują, mogą nawet reagować na dźwięki.

„Touch of Evil” wywołało odpowiedzi od największej liczby neuronów. To ma sens. W początkowej scenie Wellesa kamera przybliża się i przesuwa, przesuwa się po scenie, a różne osoby i przedmioty poruszają się w kadrze i wychodzą z niego, smorgasbord zdjęć, które powinny obejmować prawie wszystko, co kora wzrokowa może potrzebować do przetworzenia . Jednak podręczniki mówią, że mniej neuronów reaguje na złożone sceny wizualne niż na prostsze elementy oparte na krawędziach, z których wykonane są sceny. Zespół Allen Institute stwierdził coś przeciwnego: siatki statyczne interesowały najmniej neuronów; Welles miał znacznie większą rzeszę fanów.

W sumie 77% neuronów w korze wzrokowej myszy zareagowało na przynajmniej jedną rzecz, którą pokazali im naukowcy. Ale w niektórych dzielnicach tylko 33% tak. Reszta wydawała się strajkować.

To też nie powinno się zdarzyć. „To ogromne odkrycie” – powiedział neurobiolog Bruno Olshausen z University of California, Berkeley, który ma wiedzę neurologiczną, która rozumie nie więcej niż 20% tego, jak działa kora wzrokowa. Każdy neuron wzrokowy rzekomo reaguje trochę rodzaj przewagi, „więc co robią te ciche neurony?” zapytał Olshausen. „Zakładając, że odkrycie nie jest artefaktem, to ogromna populacja neuronów (wizualnych), które nie widzą. Powinno to być przebudzenie dla wszystkich w terenie. Coś jest zupełnie nie tak ze standardowym modelem. ”

Dodał, że niespodziewane odkrycie sprawia, że ​​jest to „tour de force i pierwszy w neuronauce”, aby systematycznie charakteryzować tak dużą populację neuronów na różnych warstwach, obszarach i przy użyciu różnych bodźców. Dane będą bezcenne dla teoretyków i modelarzy przez wiele lat. ”

Możliwe, że naukowcy nie pokazali obrazów myszy z tą szczególną cechą, którą zauważają te nieodpowiadające neurony wzrokowe. Ale wydaje się to mało prawdopodobne, biorąc pod uwagę różnorodność obrazów: motyle, lamparty, ogrodzenia, góry, drzewa, liście, skały, chodniki, okna, klatki schodowe, ołówki i inne. Zamiast tego de Vries powiedział: „Myślę, że to odbicie, że w korze wzrokowej dzieją się inne rzeczy”, na przykład neurony „wizualne” przetwarzające dźwięk lub coś innego niż wzrokowe.

Ponieważ programiści wizji maszynowej czerpią wskazówki z tego, jak widzą mózgi, wyniki Allen Institute, jeśli zostaną potwierdzone, niosą ważną wiadomość, powiedział York Zylberberg. „Pokazuje, że nie ma bałaganu (niezróżnicowanych neuronów)… robiących to samo, co teraz wprowadzamy do naszych systemów. Zamiast tego istnieje co najmniej 10 różnych rodzajów neuronów wzrokowych ”, które reagują na określone aspekty świata wizualnego – złożoność, którą komputerowo mogą z powodzeniem naśladować systemy rozpoznawania obiektów.

Jeśli chodzi o wybór filmów przez naukowców, „wybraliśmy„ Touch of Evil ”, ponieważ szukaliśmy klipu filmowego, który miałby wiele różnorodnych ruchów bez cięcia kamery”, powiedział de Vries.

Opublikowane za zgodą. Ten artykuł 16 grudnia 2019 r