Нейробиологи нашли, где в мозге мыши сжимаются видеоданные
Когда животное перемещается в сложной визуальной среде, его мозг не может позволить себе анализировать каждую деталь по отдельности. Вместо этого он быстро извлекает общую структуру сцены — например, среднее направление движения множества элементов. Эта способность, известная как ансамблевое восприятие, позволяет с первого взгляда схватывать «суть» происходящего.
В Центре памяти и глионауки Института фундаментальных наук (IBS) выяснили, где и как именно в мозге происходит это «сжатие видеоданных». Результаты экспериментов на мышах опубликованы в Advanced Science.
Оказалось, не там, где у приматов, включая людей, у которых эта непростая задача возложена на медиально-височную и теменную доли, говорит соавтор-корреспондент Ли Доюн.
«У мышей эта трансформация запускается уже в первичной зрительной коре. Мозг начинает сжимать сложную сенсорную информацию в полезные статистические обобщения на очень раннем этапе», — уточняет он.
Головной мозг обрабатывает визуальную информацию поэтапно в рамках иерархии областей. Первичная зрительная кора (V1) — это первый кортикальный уровень, получающий сигнал от глаз; считается, что она кодирует простые признаки, такие как границы или направление движения. На более высоких этапах задняя теменная кора (PPC) интегрирует эту информацию в более абстрактные представления, связанные с восприятием и принятием решений.
Исследователи обнаружили, что V1 кодирует не только среднее направление сложных паттернов движения, но и их дисперсию — то есть степень разброса или неопределенности движения. Эта информация затем передается в PPC, где перестраивается в более абстрактные категориальные представления, способные направлять поведение.
Как изучали
Мышей с зафиксированными головами обучили определять преобладающее направление множества движущихся точек. Испытуемые успешно научились группировать восемь возможных средних направлений в две категории. Даже когда движение отдельных точек сильно различалось, животные все равно могли правильно определить общее направление, то есть они ориентировались не на несколько заметных локальных сигналов, а на подлинную статистическую сводку всей сцены.
«Мы показали, что мозг не обрабатывает сложный визуальный ввод, отслеживая каждый элемент по отдельности, а извлекает стабильную сводную информацию, такую как среднее значение и дисперсия, чтобы быстрее оценить общую структуру окружающей обстановки», — пояснил первый автор исследования Ли Ён Бом.
Нейронную активность в V1 и PPC регистрировали с помощью микроскопической кальциевой визуализации. Выявлено четкое «разделение труда» в рамках кортикальной иерархии. В V1 популяционная активность кодировала как среднее направление движения, так и его дисперсию. Это значит, что первичная зрительная кора уже вычисляет обобщающие статистики, а не просто ретранслирует локальные сигналы. В PPC представление смещалось в сторону более абстрактной категориальной информации, что говорит о постепенном преобразовании сенсорных обобщений в важные для поведения сигналы.
Зачем это нужно
Сюрпризом для экспериментаторов стало, что в обработке задействуются, казалось бы, не предназначенные для этого нейроны. Это подтверждает использование мозгом распределенного популяционного кодирования, что делает его надежным, гибким и эффективным.
Полученные результаты помогут помочь объяснить, как мозг быстро извлекает значимую структуру из сложной визуальной среды, а также найти применение в будущих разработках в области искусственного интеллекта и машинного зрения.
