Tyrimas paaiškina, kodėl smegenys gali tvirtai atpažinti vaizdus net be spalvų

Tyrimas paaiškina, kodėl smegenys gali tvirtai atpažinti vaizdus net be spalvų

Gyvensena mityba, dietos, judėjimas

Nors žmogaus regėjimo sistema turi sudėtingą spalvų apdorojimo mašiną, smegenims nekyla problemų atpažinti objektus nespalvotuose vaizduose. Naujas MIT atliktas tyrimas siūlo galimą paaiškinimą, kaip smegenys taip puikiai identifikuoja tiek spalvotus, tiek suprastėjusius vaizdus.

Naudodami eksperimentinius duomenis ir skaičiavimo modeliavimą, mokslininkai rado įrodymų, rodančių, kad šio gebėjimo šaknys gali slypėti vystyme. Darbas buvo paskelbtas m Mokslas

Ankstyvame amžiuje, kai naujagimiai gauna labai ribotą spalvų informaciją, smegenys yra priverstos išmokti atskirti objektus pagal jų skaistį arba skleidžiamos šviesos intensyvumą, o ne spalvą. Vėliau, kai tinklainė ir žievė yra geriau pasirengusios apdoroti spalvas, smegenys taip pat įtraukia spalvų informaciją, tačiau taip pat išlaiko savo anksčiau įgytą gebėjimą atpažinti vaizdus be kritinės įtakos spalvų gairėms.

Rezultatai atitinka ankstesnį darbą, rodantį, kad iš pradžių pablogėjusi regėjimo ir klausos įvestis iš tikrųjų gali būti naudinga ankstyvam suvokimo sistemų vystymuisi.

„Ši bendra mintis, kad yra kažkas svarbaus pradiniuose mūsų suvokimo sistemos apribojimuose, pranoksta spalvų matymą ir regėjimo aštrumą. Kai kurie mūsų laboratorijos atlikti klausos darbai taip pat rodo, kad yra kažkas svarbaus apriboti informacijos gausą, su kuria iš pradžių susiduria naujagimių sistema“, – sako Pawan Sinha, MIT smegenų ir pažinimo mokslų profesorius ir vyresnysis tyrimo autorius.

Išvados taip pat padeda paaiškinti, kodėl vaikams, kurie gimsta akli, bet vėliau, pašalinus įgimtą kataraktą, regėjimas atsistato, daug sunkiau atpažinti nespalvotus objektus. Tie vaikai, kuriems atgavus regėjimą iškart įvedamos turtingos spalvos, gali per daug pasikliauti spalvomis, todėl jie tampa daug mažiau atsparūs spalvų informacijos pakeitimams ar pašalinimui.

Pagrindiniai tyrimo autoriai yra MIT postdocs Marin Vogelsang ir Lukas Vogelsang bei projekto Prakash mokslininkas Priti Gupta. Sidney Diamond, išėjęs į pensiją neurologas, kuris dabar yra MIT tyrimų filialas, ir papildomi projekto Prakash komandos nariai taip pat yra šio straipsnio autoriai.

Matyti juodai baltai

Tyrėjai tyrinėjo, kaip ankstyva spalvų patirtis paveikia vėlesnį objektų atpažinimą, išaugo iš paprasto stebėjimo, atlikto tiriant vaikus, kurių regėjimas buvo atkurtas po gimimo su įgimta katarakta. 2005 m. Sinha pradėjo projektą Prakash (sanskrito kalbos žodis, reiškiantis „šviesa“) – pastangas Indijoje nustatyti ir gydyti vaikus, turinčius grįžtamo regėjimo praradimo.

Daugelis tų vaikų kenčia nuo aklumo dėl tankios dvišalės kataraktos. Ši būklė dažnai negydoma Indijoje, kurioje yra didžiausia pasaulyje aklų vaikų populiacija, skaičiuojama nuo 200 000 iki 700 000.

Vaikai, kurie gydomi per projektą Prakash, taip pat gali dalyvauti savo regėjimo raidos tyrimuose, kurių daugelis padėjo mokslininkams sužinoti daugiau apie tai, kaip keičiasi smegenų organizacija atkūrus regėjimą, kaip smegenys įvertina ryškumą ir kitus su regėjimu susijusius reiškinius.

Šiame tyrime Sinha ir jo kolegos davė vaikams paprastą objektų atpažinimo testą, pateikdami tiek spalvotus, tiek nespalvotus vaizdus. Vaikams, gimusiems su normaliu regėjimu, spalvotų vaizdų pavertimas pilkais atspalviais neturėjo jokios įtakos jų gebėjimui atpažinti pavaizduotą objektą. Tačiau kai vaikams, kuriems buvo pašalinta katarakta, buvo pateikti nespalvoti vaizdai, jų veikla labai sumažėjo.

Tai paskatino tyrėjus iškelti hipotezę, kad regėjimo įvestis, su kuria vaikai susiduria ankstyvame gyvenime, gali atlikti lemiamą vaidmenį formuojant atsparumą spalvų pokyčiams ir gebėjimą atpažinti objektus, pateiktus nespalvotuose vaizduose. Normalaus regėjimo naujagimių tinklainės kūgio ląstelės gimimo metu nėra gerai išsivysčiusios, todėl kūdikiai turi silpną regėjimo aštrumą ir blogą spalvų matymą. Per pirmuosius gyvenimo metus jų regėjimas pastebimai pagerėja, nes vystosi kūgio sistema.

Kadangi nesubrendusi regėjimo sistema gauna žymiai sumažintą spalvų informaciją, mokslininkai iškėlė hipotezę, kad per tą laiką kūdikio smegenys yra priverstos įgyti įgūdžių atpažinti vaizdus su sumažintomis spalvomis. Be to, jie pasiūlė, kad vaikai, gimę su katarakta ir vėliau pašalinę kataraktą, identifikuodami objektus gali išmokti per daug pasikliauti spalvų ženklais, nes, kaip eksperimentiškai įrodyta darbe, su subrendusia tinklaine jie pradeda savo pooperacines keliones. su geru spalvų matymu.

Norėdami griežtai patikrinti šią hipotezę, tyrėjai naudojo standartinį konvoliucinį neuronų tinklą AlexNet kaip skaičiavimo regėjimo modelį. Jie išmokė tinklą atpažinti objektus, suteikdami jam įvairių tipų įvesties mokymo metu.

Vykdydami vieną mokymo režimą, jie iš pradžių modeliui rodė tik pilkos spalvos vaizdus, ​​o vėliau pristatė spalvotus vaizdus. Tai maždaug imituoja chromatinės sodrinimo vystymosi progresą, kai kūdikių regėjimas bręsta per pirmuosius gyvenimo metus.

Kitas mokymo režimas apėmė tik spalvotus vaizdus. Tai panašu į projekto Prakash vaikų patirtį, nes jie gali apdoroti visą spalvotą informaciją, kai tik pašalinama katarakta.

Tyrėjai nustatė, kad vystymosi įkvėptas modelis gali tiksliai atpažinti objektus bet kurio tipo vaizduose ir taip pat buvo atsparus kitoms spalvų manipuliacijoms. Tačiau „Prakash“ tarpinio serverio modelis, parengtas tik naudojant spalvotus vaizdus, ​​neparodė gero apibendrinimo į pilkos spalvos ar atspalviais manipuliuojamus vaizdus.

„Taip atsitinka taip, kad šis Prakash tipo modelis yra labai geras su spalvotais vaizdais, tačiau jis yra labai prastas su viskuo kitu. Nepradedant nuo iš pradžių pablogėjusių spalvų mokymo, šie modeliai tiesiog neapibendrina, galbūt dėl ​​​​to, kad jie yra per daug. pasikliauti tam tikrais spalvų ženklais“, – sako Lukas Vogelsangas.

Tvirtas vystymosi įkvėpto modelio apibendrinimas nėra vien tik spalvotų ir pilkų atspalvių vaizdų lavinimo pasekmė; Laikinas šių vaizdų išdėstymas labai skiriasi. Kitas objektų atpažinimo modelis, kuris pirmiausia buvo išmokytas naudoti spalvotus vaizdus, ​​​​o po to pilkos spalvos vaizdus, ​​​​ne taip gerai atpažino juodai baltus objektus.

„Svarbūs ne tik raidos choreografijos žingsniai, bet ir jų atlikimo tvarka“, – sako Sinha.

Riboto jutimo įvesties privalumai

Analizuodami vidinę modelių struktūrą, mokslininkai nustatė, kad tie, kurie prasideda nuo pilkos spalvos įvesties, išmoksta pasikliauti skaisčiu identifikuodami objektus. Kai jie pradeda gauti spalvų įvestį, jie labai nekeičia savo požiūrio, nes jau išmoko gerai veikiančią strategiją. Modeliai, kurie prasidėjo nuo spalvotų vaizdų, pakeitė savo požiūrį, kai buvo pristatyti pilkų atspalvių vaizdai, bet negalėjo pakankamai pasikeisti, kad būtų tokie tikslūs kaip modeliai, kuriems buvo pateikti pirmieji pilkos spalvos vaizdai.

Panašus reiškinys gali atsirasti žmogaus smegenyse, kurios ankstyvame amžiuje turi daugiau plastiškumo ir gali lengvai išmokti atpažinti objektus vien pagal jų skaistį. Ankstyvame amžiuje informacijos apie spalvas trūkumas iš tikrųjų gali būti naudingas besivystančioms smegenims, nes jos išmoksta atpažinti objektus remdamosi negausia informacija.

„Kaip naujagimis, normaliai regintis vaikas tam tikra prasme netenka spalvų matymo. Ir tai yra privalumas”, – sako Diamond.

Sinha laboratorijos mokslininkai pastebėjo, kad ankstyvo jutimo įvesties apribojimai taip pat gali būti naudingi kitiems regėjimo aspektams, taip pat klausos sistemai.

2022 m. jie naudojo skaičiavimo modelius, kad parodytų, kad ankstyvas tik žemo dažnio garsų, panašių į tuos, kuriuos kūdikiai girdi gimdoje, poveikis pagerina klausos užduočių atlikimą, kai reikia ilgesnį laiką analizuoti garsus, pavyzdžiui, atpažinti emocijas. Dabar jie planuoja ištirti, ar šis reiškinys apima kitus vystymosi aspektus, pavyzdžiui, kalbos įgijimą.

Ši istorija iš naujo paskelbta „MIT News“ (web.mit.edu/newsoffice/), populiarios svetainės, kurioje pateikiamos naujienos apie MIT tyrimus, inovacijas ir mokymą, dėka.