数学模型正在破译人类视觉形成的秘密

发布时间:2011-03-01 00:45 阅读次数:
本文摘要:人类的视觉是如何构成的?时至今日,这仍然是一个“情人”:大脑的视觉系统从世界本身接收到的信息非常有限,这也意味着我们“看到”的大部分内容主要来自想象。纽约大学的数学家赖桑荣回应道:“我们指出,我们看到的许多东西是由大脑重建的,但本质上我们并没有看到它们。”大脑在创造视觉世界方面的表现显然是突出的。 令人失望的是,纯粹的解剖学研究无法解释大脑是如何构建这些图像的——。这个任务本身就很难,类似于盯着汽车发动机去编码热力学定律。最近的研究指出,数学可能是解决这个问题的关键。

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人类的视觉是如何构成的?时至今日,这仍然是一个“情人”:大脑的视觉系统从世界本身接收到的信息非常有限,这也意味着我们“看到”的大部分内容主要来自想象。纽约大学的数学家赖桑荣回应道:“我们指出,我们看到的许多东西是由大脑重建的,但本质上我们并没有看到它们。”大脑在创造视觉世界方面的表现显然是突出的。

令人失望的是,纯粹的解剖学研究无法解释大脑是如何构建这些图像的——。这个任务本身就很难,类似于盯着汽车发动机去编码热力学定律。最近的研究指出,数学可能是解决这个问题的关键。

在过去的几年里,杨和她在纽约大学的同事(神经科学家罗伯特沙普利(RobertShapley)和数学家洛根查里克(LoganChariker))积极开展了一项大脑开放合作。他们在共同构建一个单一的数学模型,结合多年的生物学实验结果,来解释大脑是如何根据非常有限的视觉信息来构建一个精致的视觉观察效果的。通过在每个实验中添加一个基本的视觉元素,他们解释了视觉皮层中的神经元是如何通过交互来检测物体的边缘和对比度变化的。现在,他们正在研究大脑如何感知物体的移动方向。

在以往人类视觉积累的实验材料基础上,对视觉皮层的结构做出合理的假设,是一种前所未有的研究方法。具体来说,杨、沙普利和沙克在他们的数学模型中带来了关于视觉皮层的严谨而非直觉的生物学结论,希望以统一的方式解释视觉现象的可能方式。

> > >视网膜与视皮层的联系非常有限。生物学告诉他,我们的眼睛看起来像透镜,负责管理和接收来自外部世界的光。需要等比例复制视野,在位于眼睛后部的视网膜上感知。视网膜必须连接到视觉皮层,即大脑后部负责管理视觉的区域。

但是视网膜和视皮层的联系非常有限。只有10个左右的神经细胞负责将视网膜连接到这个视区的视皮层,这个视区只相当于四分之一的满月(地面仔细观察的角度)。

这些细胞含有LGN,即外侧膝状体——,这是视觉信息从外部传播到大脑的唯一途径。LGN细胞不仅数量少,而且能力也很慢。

当LGN细胞在一小部分视野中检测到从暗到暗的变化时(反之亦然),LGN细胞不会向视觉皮层发送脉冲。亮度调节后的视野开始向视网膜传输新的数据,但大脑真正需要接管的仍然是由一组微小的LGN细胞传输的微弱信号。在整个图像复原过程中,似乎有一部小说是从餐巾纸上的手稿碎片中整理出来的。

杨认为,“你可能会指出,大脑中交错的,是我们在视野中看到的。但本质上,大脑并不是这样工作的;同构是视网膜的任务,但视网膜传递给视皮层的信息很少。”虽然皮层和视网膜仅由少数神经元连接,但皮层本身享有丰富而致密的神经细胞。

对于每10个连接到视网膜的LGN神经元,神经皮层侧不会决定初始“输出层”中对应的4000个神经元。这种结构表明大脑不会对其接收到的视觉数据进行深度处理。对于Young、Shapley、Chariker等研究人员来说,核心挑战是如何理解大脑处理的整个过程。

> > >视觉信息传递是“系统对系统”的循环,而不是“前馈”的循环。事实上,杨、沙普利和查里克并不是第一批试图用数学模型解决这个问题的研究者。

但不同的是,以往的所有研究都假设视网膜和视皮层之间有更多的信息传递的地下通道,从而找到了更简单的方法来解释视皮层对性刺激的反应原理。长期以来,数学家们成功地解决了一次又一次的建模变化问题,从台球轨迹到时空演化。这些都是所谓“动力系统”的必然性,说明——系统不会按照同样的规律随时间而变化。

大脑中不存在的神经元之间的相互作用也属于一个动态系统——,但它所遵循的规则更加复杂,难以确定。LGN细胞可以向视觉皮层发送一系列电脉冲,电压只有脉冲的十分之一,持续时间为一毫秒。这些脉冲需要引起神经元之间的一系列相互作用。

杨回应说,与我们更熟悉的物理系统相比,这种互动中的规则是完全“无限简单”的。单个神经元不会同时接收数百个其他神经元的信号,其中一些不会导致前者进一步升空,另一部分也不会诱发其后续升空脉冲。当神经元接管这些兴奋性和抑制性电脉冲时,它们细胞膜上的电压就不会再波动了。

只有当电压(或“膜电位”)达到某一阈值时,相应的反应才不会开始。目前,我们无法预测这种情况何时会再次发生。杨说:“如果你把注意力放在单个神经元的膜电位上,你不会发现它没有上下波动。

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我们不能确切地说它什么时候不会启动。”实际情况的复杂程度远远不止这些。

如果有几百个神经元终止一个神经元,会发生什么?当它在任何时候接收到来自数百个其他神经元的信号时,视觉皮层也包含在无数对这样的系统周期中。沙普利回应说,“问题是这个过程中没有太多的活动组件,这也是核心挑战。”早期的视皮层模型往往不会忽略这个特征。

当时,研究人员指出,信息的流动只有一种方式:从眼睛的前部到后部的视网膜,然后到视觉皮层,最后到大脑后部的相应区域。整个过程就像在工厂传送带上传送零件一样完整。这种“前馈”模式可玩性较差,但忽略了解剖学中的一个基本原理。——生物体以“到系统”循环为基本组成部分。

杨认为,“知道系统周期是很难处理的,因为信息不会大幅度返回而引起变化,然后返回而引起新的变化。更重要的是,这种循环在大脑中无处不在,不存在需要精确处置的现有模型。”在2016年发表的第一篇论文中,Young、Shapley和Chariker开始倡导这几对系统周期。

他们在模型的系统周期中引入了一种类似蝴蝶效应的机制:来自LGN细胞的信号不会在一个又一个系统周期后逐渐缩放。他们称这个过程为“重复唤醒”,并指出这个过程不会对最终模型的视觉结果产生很大影响。Young、Shapley和Chariker已经证明,他们的富对系统模型需要基于传递到模型中的微弱LGN输出信号的微小变化,再现物体边缘从水平到水平的指向——以及它们之间的所有指向情况。

这意味着科学家只能用少数与其他神经元相连的神经元来指示视觉系统的各个方向。而边缘检测在视觉系统中只占很小一部分,2016年的论文只是开始。下一个挑战是如何在不影响先前元素的实际性能的情况下向模型中添加额外的视觉元素。

杨解释说,这叫“如果某个模型需要获得精确的结果,那么这个模型应该也需要成功完成其他任务。就像我们的大脑,它不需要做任何调整,它需要在我们仔细观察不同物体的时候做出不同的反应。”> > >数学生物学:研究最重要的一步。在实验室条件下,研究人员自由选择了灵长类最简单的视觉刺激内容——黑白模式。

在黑白模式下,唯一需要调整的变量是画面对比度和转入视野的清晰方向。研究人员使用电极连接灵长类动物的视觉皮层,并跟踪呼叫刺激期间产生的神经脉冲。当面对相同的性刺激时,一组理想的模型应该获得某些类型的输入脉冲。

杨说:“如果给灵长类动物看一些图片,它们不会有相应的反应。基于这些信息,我们试图对其进行逆向工程,以便我们的模型享有相同的处理能力。“2018年,三位研究人员发表了第二篇论文,证明了用于边缘检测的同一模型也需要再现视觉皮层中称为“伽马节律”的整个脉搏活动模式。

(类似于我们仔细观察的萤火虫成群闪烁的模式。)目前他们的第三篇论文已经提交,主要内容是解释视觉皮层的感觉对比是如何变化的。他们的解释涉及到刺激神经元加强彼此活动的机制,并指出这种效应类似于人们在舞会上互相似乎并共同创造快乐气氛的方式。

由于视觉皮层需要从密集的输出数据中创建原始图像,这种机制无疑是不可或缺的。目前,Young、Shapley和Chariker已经致力于在模型中加入方向敏感指数,以此来解释视觉皮层如何修复视野中物体的运动方向。接下来,他们还计划解释视觉皮层如何识别视觉刺激中的时间模式。比如我们期望从红绿灯转换中理解我们对闪光现象的感受,但在看电影时会以丢弃帧的形式解读画面。

在后一个问题中,他们不会创建一个非常简单的模型,六个神经皮层中只有一个,——,负责管理为大脑呈现粗略视觉印象轮廓的层。他们目前的工作还没有涉及剩下的五层,因为其他层负责管理和进一步处理其他更简单的视觉元素。

此外,他们没有解释视觉皮层如何区分颜色。事实上,颜色辨别的机制比我们想象的要简单得多,它必须涉及几乎不同的、更复杂的神经通路。虽然他们的模型并没有揭示整个视觉系统的奥秘,但它已经向准确性迈出了最重要的一步。

这是第一个试图破解没有生物理性的视觉机制的模型。


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