Przełomowe badanie ujawnia, w jaki sposób złożony system wzrokowy mózgu nie tylko postrzega, ale także przewiduje i zmienia nasz pogląd na świat. To dogłębne spojrzenie pokazuje, że nasz mózg integruje przeszłe doświadczenia z obecnymi informacjami wizualnymi, aby konstruować rzeczywistość, co może prowadzić do oszustw i złudzeń. Źródło: SciTechDaily.com
Doświadczenie kształtuje łączność neuronową: nasz mózg interpretuje informacje wizualne, łącząc to, co widzimy, z tym, co już wiemy.
Naukowcy z Fundacji Champalimaud odkryli, w jaki sposób nasze mózgi łączą bodźce wzrokowe z wcześniejszą wiedzą, aby poprawić percepcję. Jest to kluczowy proces, który może mieć wpływ na leczenie zaburzeń zdrowia psychicznego, takich jak autyzm i schizofrenia. Ich badanie, wspierane przez Fundację la Caixa, pokazuje, że neurony łączą odmienne koncepcje, udoskonalając naszą zdolność przewidywania i interpretowania informacji wizualnych na podstawie przeszłych doświadczeń.
Budowanie hierarchii wiedzy
Jak uczymy się rozumieć nasze otoczenie? Z biegiem czasu nasz mózg tworzy hierarchię wiedzy, w której pojęcia wyższego rzędu są powiązane z składającymi się na nie cechami niższego rzędu. Dowiadujemy się na przykład, że szafki zawierają szuflady, a dalmatyńczyki mają czarno-białe łatki, a nie odwrotnie. Te wzajemnie powiązane ramy kształtują nasze oczekiwania i postrzeganie świata, pozwalając nam zidentyfikować to, co widzimy na podstawie kontekstu i doświadczenia.
„Weź słonia” – mówi Leopoldo Petreanu, starszy autor książki la Caixa-finansowane badanie. „Słonie kojarzone są z atrybutami niższego rzędu, takimi jak kolor, rozmiar i waga, a także z kontekstami wyższego rzędu, takimi jak dżungla czy safari. Łączenie pojęć pomaga nam zrozumieć świat i zinterpretować niejednoznaczne bodźce. Jeśli jesteś na safari, istnieje większe prawdopodobieństwo, że dostrzeżesz słonia za krzakami niż w innym przypadku. Podobnie, wiedząc, że to słoń, zwiększasz prawdopodobieństwo, że będziesz postrzegał go jako szary, nawet w przyćmionym świetle zmierzchu. Ale gdzie w mózgu przechowywana jest ta wcześniejsza wiedza i w jaki sposób się jej uczymy?”
Wyuczone koncepcje i wcześniejsza wiedza na temat wyglądu dalmatyńczyka pomagają zinterpretować ten pozornie bezsensowny wzór czarno-białych łat. Źródło: David Marr (książka: Wizja autorstwa Davida Marra, MIT Press)
Rola informacji zwrotnej w przetwarzaniu wizualnym
System wzrokowy mózgu składa się z sieci współpracujących ze sobą obszarów, przy czym niższe obszary obsługują proste szczegóły (np. małe obszary przestrzeni, kolory, krawędzie), a wyższe obszary reprezentują bardziej złożone pojęcia (np. większe obszary przestrzeni, zwierzęta, twarze). Komórki w wyższych obszarach wysyłają połączenia „sprzężeniowe” do niższych obszarów, umożliwiając im uczenie się i osadzanie relacji w świecie rzeczywistym ukształtowanych przez doświadczenie. Na przykład komórki kodujące „słonia” mogą wysyłać informację zwrotną do komórek przetwarzających takie funkcje, jak „szary”, „duży” i „ciężki”. Dlatego badacze rozpoczęli badanie, w jaki sposób doświadczenie wizualne wpływa na organizację projekcji informacji zwrotnych, których funkcjonalna rola pozostaje w dużej mierze nieznana.
Połączenia wrażeń wizualnych i informacji zwrotnych
„Chcieliśmy zrozumieć, w jaki sposób te prognozy zwrotne przechowują informacje o świecie” – mówi Rodrigo Dias, jeden z pierwszych autorów badania. „W tym celu zbadaliśmy wpływ wrażeń wzrokowych na projekcje sprzężenia zwrotnego do dolnego obszaru widzenia zwanego V1 u myszy. Wychowywaliśmy dwie grupy myszy w różny sposób: jedną w normalnym środowisku z regularną ekspozycją na światło, a drugą w ciemności. Następnie zaobserwowaliśmy, jak połączenia zwrotne i komórki, na które są ukierunkowane w V1, reagowały na różne obszary pola widzenia”.
Wpływ doświadczenia wzrokowego na łączność mózgu
U myszy hodowanych w ciemności połączenia zwrotne i komórki V1 znajdujące się bezpośrednio pod nimi reprezentowały te same obszary przestrzeni wizualnej. Pierwsza autorka Radhika Rajan tak podsumowuje tę historię: „Niesamowitym było zobaczyć, jak dobrze przestrzenne reprezentacje wyższych i niższych obszarów pasowały do siebie u ciemnowychowanych myszy. Sugeruje to, że mózg ma wrodzony, genetyczny plan organizowania tych przestrzennie wyrównanych połączeń, niezależnie od bodźców wzrokowych”. Jednak u normalnie hodowanych myszy połączenia te były mniej precyzyjnie dopasowane, a więcej sygnałów zwrotnych przekazywało informacje z otaczających obszarów pola widzenia.
Rajan kontynuuje: „Odkryliśmy, że dzięki doświadczeniu wizualnemu informacje zwrotne dostarczają bardziej kontekstowych i nowatorskich informacji, zwiększając zdolność komórek V1 do próbkowania informacji z szerszego obszaru sceny wizualnej”. Efekt ten zależał od pochodzenia w wyższym obszarze widzenia: projekcje sprzężenia zwrotnego z głębszych warstw częściej przekazywały informacje przestrzenne w porównaniu z projekcjami z warstw powierzchniowych.
Adaptacja oparta na doświadczeniu w sprzężeniu zwrotnym wizualnym
Co więcej, zespół odkrył, że u normalnie hodowanych myszy sygnały zwrotne z głębokiej warstwy przekazywane do V1 organizują się według wzorców, które „wolą” widzieć, takich jak linie pionowe lub poziome. „Na przykład” – mówi Dias – „wejścia preferujące linie pionowe unikają wysyłania informacji surround do obszarów znajdujących się wzdłuż kierunku pionowego. Natomiast nie znaleźliśmy takiego błędu w zakresie łączności u myszy ciemnogłowych.”
„To sugeruje, że wrażenia wizualne odgrywają kluczową rolę w dostrajaniu połączeń zwrotnych i kształtowaniu informacji przestrzennych przekazywanych z wyższych do niższych obszarów widzenia” – zauważa Petreanu. „Opracowaliśmy model obliczeniowy, który pokazuje, jak doświadczenie prowadzi do procesu selekcji, redukując powiązania między sprzężeniem zwrotnym a komórkami V1, których reprezentacje zbytnio się pokrywają. Minimalizuje to redundancję, umożliwiając komórkom V1 integrację bardziej zróżnicowanego zakresu informacji zwrotnych.
Konsekwencje dla zaburzeń zdrowia psychicznego
Być może wbrew intuicji mózg mógłby kodować wyuczoną wiedzę, łącząc komórki reprezentujące niepowiązane koncepcje i których prawdopodobieństwo jednoczesnej aktywacji jest mniejsze w oparciu o wzorce ze świata rzeczywistego. Może to być energooszczędny sposób przechowywania informacji, dzięki czemu w przypadku napotkania nowego bodźca, takiego jak różowy słoń, wstępnie skonfigurowane okablowanie mózgu maksymalizuje aktywację, usprawniając wykrywanie i aktualizując przewidywania dotyczące świata.
Zidentyfikowanie tego interfejsu mózgowego, w którym wcześniejsza wiedza łączy się z nowymi informacjami zmysłowymi, może być cenne przy opracowywaniu interwencji w przypadkach, gdy proces integracji nie działa prawidłowo. Jak podsumowuje Petreanu: „Uważa się, że takie zaburzenia równowagi występują w chorobach takich jak autyzm i schizofrenia. Osoby z autyzmem mogą postrzegać wszystko jako nowe, ponieważ wcześniejsze informacje nie są wystarczająco mocne, aby wpłynąć na percepcję. I odwrotnie, w schizofrenii wcześniejsze informacje mogą być nadmiernie dominujące, co prowadzi do percepcji generowanej wewnętrznie, a nie opartej na faktycznych bodźcach zmysłowych. Zrozumienie, w jaki sposób informacje zmysłowe i wcześniejsza wiedza są zintegrowane, może pomóc w rozwiązaniu tych problemów.
Odniesienie: „Doświadczenie wzrokowe zmniejsza redundancję przestrzenną między korowymi sygnałami zwrotnymi a pierwotnymi neuronami kory wzrokowej” 12 sierpnia 2024 r., Neuron.
DOI: 10.1016/j.neuron.2024.07.009
