Зрительные области мозга организованы в модули — это участки нейронов, которые активируются вместе в ответ на определенный стимул. Например, одни модули реагируют на вертикальные полосы, другие — на горизонтальные. В зрелом мозге эти модули надежно координируют свою работу, что обеспечивает надежное распознавание объектов и принятие решений.
Когда новорожденный открывает глаза, его мозг только учится видеть
Команда нейробиологов из Института Макса Планка во Флориде описала механизм обучения, благодаря которому мозг новорожденного учится надежно распознавать зрительную информацию. В момент первого открытия глаз готов только физиологический прототип всей системы зрения, и нейронам необходимо обучение, чтобы начать различать верх и низ, правое и левое.
Мир еще в тумане. Unsplash
Когда ребенок впервые открывает глаза, его мозг еще не умеет надежно интерпретировать зрительную информацию. Новорожденный видит свет, тени и движение, но не может четко различать формы, линии или объекты. Бинокулярное зрение отсутствует. Острота зрения в 10-20 раз ниже, чем у взрослого. Картинка сильно размыта. Более-менее надежно различаются только объекты не дальше 20-30 см. Главные зрительные объекты, на распознавание которых новорожденный настроен эволюционно, — это материнская грудь, и спустя неделю-две — ее лицо. Но нейроны еще реагируют хаотично: на одну и ту же картинку отвечают разные группы клеток, и мозг не может сформировать устойчивое представление о том, что находится перед глазами.
Если модули в зрительной коре надежно распознают вертикальные и горизонтальные полосы, они по сути создают базовую сетку для всего визуального восприятия. Это как обучение системы GPS — сначала нужно понять, где «север-юг» и «восток-запад», а потом можно определять и местоположение объектов.
До недавнего времени оставалось загадкой, как развивается модульная структура, отвечающая за вертикальную и горизонтальную ориентацию полос. Команда доктора Дэвида Фицпатрика решила выяснить, как формируются надежные модульные ответы мозга. В опыте на зрительной системе хорька ученые подтвердили, что когда глаза новорожденного открываются, мозговые реакции на одну и ту же зрительную сцену непостоянны — каждый раз отвечают разные группы нейронов, что ограничивает способность мозга понимать окружающий мир. И мозг начинает учиться. Работа опубликована в журнале Neuron.
Как мозг учится видеть
Структура визуальной коры. Серое вещество первичной зрительной коры делится на шесть слоев: I, II, III, IV, V, V, которые состоят из различных типов нейронов. В основном наблюдаются два типа нейронов: пирамидальные клетки и интернейроны. Пирамидальные клетки — это возбуждающие нейроны. Интернейроны — тормозные Рисунок иллюстрирует слои и типы клеток в первичной зрительной коре. В новом исследовании речь идет о связи входного слоя L4 с L2/3 слоями. Именно здесь происходит обучение распознаванию вертикальных и горизонтальных полос. Рисунок из работы Adaptation and Neuronal Network in Visual Cortex (2012)
Исследователи измерили как зрительную информацию, поступающую в модули визуальной коры, так и изменение реакции модулей по мере приобретения зрительного опыта. Оказалось, что до получения опыта (до первого открытия глаз) модули еще не специализированы. Нейроны, передающие информацию о горизонтальных линиях, активировались одновременно с модулями, специализированными на вертикальных линиях. При регистрации одной и той же картикни одним или другим глазом (монокулярное зрение) реагировали разные нейронные модули.
Схема исследования.
Разработанная учеными вычислительная модель предсказала характер изменений визуальных модулей в процессе обучения: модули, которые получают зрительные стимулы постепенно настраиваются на модули обработки информации. Причем «вертикальные» модули уже путаются с «горизонтальными». Эксперименты на мозге хорька подтвердили это предсказание.
Главный вывод — в момент открытия глаз мозг готов учиться видеть, но ему еще нужно научиться видеть. «Наши результаты демонстрируют стратегию, которая позволяет мозгу учиться лучше и быстрее. Мозг эволюционировал так, что на раннем этапе развития, еще до открытия глаз, он готов производить паттерны активности, организованные в модули», — объясняет первый автор работы доктор Аугусто Лемпель.
Врожденная модульная организация подготавливает мозг к эффективному обучению после открытия глаз, согласуя важную информацию из внешнего мира с модульной структурой. Такая структура и обеспечивает быстрое обучение.