Ένα μαθηματικό μοντέλο ξεκλειδώνει τα μυστικά του οράματος!

Αυτό είναι το μεγάλο μυστήριο του ανθρώπινου οράματος: Ζωντανές εικόνες του κόσμου εμφανίζονται μπροστά στο μάτι του μυαλού μας, όμως το οπτικό σύστημα του εγκεφάλου λαμβάνει πολύ λίγες πληροφορίες από τον ίδιο τον κόσμο. Πολλά από αυτά που βλέπουμε φανερώνουμε στο μυαλό μας.

“Πολλά από τα πράγματα που νομίζετε ότι βλέπετε πραγματικά δημιουργείτε”, δήλωσε ο Lai-Sang Young, μαθηματικός στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης. “Δεν τους βλέπετε πραγματικά”.

Ωστόσο, ο εγκέφαλος πρέπει να κάνει μια αρκετά καλή δουλειά να εφεύρει τον οπτικό κόσμο, αφού δεν συνηθίζουμε να μπαίνουμε στις πόρτες. Δυστυχώς, η μελέτη της ανατομίας από μόνη της δεν αποκαλύπτει πώς ο εγκέφαλος κάνει αυτές τις εικόνες πάνω από ό, τι κοιτάζοντας μια μηχανή αυτοκινήτου θα σας επιτρέψει να αποκρυπτογραφήσετε τους νόμους της θερμοδυναμικής.

Νέα έρευνα δείχνει ότι τα μαθηματικά είναι το κλειδί. Για τα τελευταία χρόνια, η Young έχει εμπλακεί σε μια απίθανη συνεργασία με τους συναδέλφους της NYU Robert Shapley, έναν νευροεπιστήμονα, και τον Logan Chariker, μαθηματικό. Δημιουργούν ένα ενιαίο μαθηματικό μοντέλο που συνδυάζει χρόνια βιολογικών πειραμάτων και εξηγεί πώς ο εγκέφαλος παράγει περίτεχνα οπτικά αντίγραφα του κόσμου με βάση ελάχιστες οπτικές πληροφορίες.

“Η δουλειά του θεωρητικού, όπως το βλέπω, είναι ότι παίρνουμε αυτά τα γεγονότα και τα βάζουμε μαζί σε μια συνεκτική εικόνα”, δήλωσε ο Young. “Οι πειραματιστές δεν μπορούν να σας πουν τι κάνει κάτι να λειτουργήσει.”

Η Young και οι συνεργάτες της έχουν δημιουργήσει το μοντέλο τους ενσωματώνοντας ένα βασικό στοιχείο όρασης κάθε φορά. Έχουν εξηγήσει πώς οι νευρώνες στον οπτικό φλοιό αλληλεπιδρούν για να ανιχνεύσουν τις άκρες των αντικειμένων και τις αλλαγές σε αντίθεση, και τώρα εργάζονται για να εξηγήσουν πώς ο εγκέφαλος αντιλαμβάνεται την κατεύθυνση στην οποία κινούνται τα αντικείμενα.

Το έργο τους είναι το πρώτο του είδους. Προηγούμενες προσπάθειες για το μοντέλο του ανθρώπινου οράματος έκαναν ευσεβείς υποθέσεις σχετικά με την αρχιτεκτονική του οπτικού φλοιού. Το έργο Young, Shapley και Chariker δέχεται την απαιτητική, απροσδιόριστη βιολογία του οπτικού φλοιού όπως είναι – και προσπαθεί να εξηγήσει πώς το φαινόμενο της όρασης είναι ακόμα δυνατό.

“Νομίζω ότι το μοντέλο τους είναι μια βελτίωση σε ότι είναι πραγματικά βασίζεται στην πραγματική ανατομία του εγκεφάλου. Θέλουν ένα μοντέλο που είναι βιολογικά σωστό ή εύλογο “, δήλωσε η Alessandra Angelucci, νευρολόγος στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα.

 

Layers and Layers

Υπάρχουν μερικά πράγματα που γνωρίζουμε σίγουρα για το όραμα.

Το μάτι λειτουργεί ως φακός. Λαμβάνει φως από τον έξω κόσμο και προβάλλει μια κλίμακα αντίγραφο του οπτικού μας πεδίου πάνω στον αμφιβληστροειδή, που κάθεται στο πίσω μέρος του ματιού. Ο αμφιβληστροειδής συνδέεται με τον οπτικό φλοιό, το τμήμα του εγκεφάλου στο πίσω μέρος του κεφαλιού.

Ωστόσο, υπάρχει πολύ μικρή σύνδεση μεταξύ του αμφιβληστροειδούς και του οπτικού φλοιού. Για μια οπτική περιοχή περίπου το ένα τέταρτο του μεγέθους μιας πανσέληνος, υπάρχουν μόνο περίπου 10 νευρικά κύτταρα που συνδέουν τον αμφιβληστροειδή στον οπτικό φλοιό. Αυτά τα κύτταρα αποτελούν τον πυρήνα LGN ή τον εγκάρσιο πυρήνα, το μόνο μονοπάτι μέσω του οποίου οι οπτικές πληροφορίες ταξιδεύουν από τον έξω κόσμο στον εγκέφαλο.

Όχι μόνο τα κύτταρα LGN είναι σπάνια – ούτε μπορούν να κάνουν πολλά. Τα κύτταρα LGN στείλουν έναν παλμό στον οπτικό φλοιό όταν ανιχνεύουν μια αλλαγή από το σκοτάδι στο φως ή το αντίστροφο στο μικρό τμήμα του οπτικού πεδίου. Και αυτό είναι όλο. Ο φωτισμένος κόσμος βομβαρδίζει τον αμφιβληστροειδή με δεδομένα, αλλά όλος ο εγκέφαλος πρέπει να συνεχίσει είναι η πενιχρή σηματοδότηση μιας μικροσκοπικής συλλογής κυττάρων LGN. Για να δείτε τον κόσμο με βάση τόσο λίγες πληροφορίες είναι σαν να προσπαθείτε να ανακατασκευάσετε το Moby-Dick από σημειώσεις σε χαρτοπετσέτα.

“Μπορεί να σκεφτείτε τον εγκέφαλο σαν να τραβήξετε μια φωτογραφία αυτού που βλέπετε στο οπτικό σας πεδίο”, είπε ο Young. “Αλλά ο εγκέφαλος δεν παίρνει μια εικόνα, ο αμφιβληστροειδής κάνει και οι πληροφορίες που μεταφέρονται από τον αμφιβληστροειδή στον οπτικό φλοιό είναι αραιές”.

Αλλά τότε ο οπτικός φλοιός πηγαίνει να δουλέψει. Ενώ ο φλοιός και ο αμφιβληστροειδής συνδέονται με σχετικά λίγους νευρώνες, ο ίδιος ο φλοιός είναι πυκνός με νευρικά κύτταρα. Για κάθε 10 νευρώνες LGN που σπρώχνουν πίσω από τον αμφιβληστροειδή, υπάρχουν 4.000 νευρώνες μόνο στην αρχική “στρώση εισόδου” του οπτικού φλοιού – και πολλά άλλα στο υπόλοιπο. Αυτή η ασυμφωνία υποδηλώνει ότι ο εγκέφαλος επεξεργάζεται σε μεγάλο βαθμό τα ελάχιστα οπτικά δεδομένα που λαμβάνει.

“Ο οπτικός φλοιός έχει ένα δικό του μυαλό”, δήλωσε ο Shapley.

Για ερευνητές όπως ο Young, ο Shapley και ο Chariker, η πρόκληση είναι να αποκρυπτογραφήσουμε τι συμβαίνει σε αυτό το μυαλό.

 

Οπτικοί βρόχοι

Η νευρική ανατομία της όρασης είναι προκλητική. Όπως ένα ελαφρύ άτομο που σηκώνει ένα τεράστιο βάρος, καλεί για μια εξήγηση: Πώς το κάνει τόσο πολύ με τόσο λίγα;

Young, Shapley και Chariker δεν είναι οι πρώτοι που προσπαθούν να απαντήσουν σε αυτή την ερώτηση με ένα μαθηματικό μοντέλο. Αλλά όλες οι προηγούμενες προσπάθειες υπολόγιζαν ότι περισσότερες πληροφορίες ταξιδεύουν μεταξύ του αμφιβληστροειδούς και του φλοιού – μια υπόθεση που θα έκανε την απάντηση του οπτικού φλοιού στα ερεθίσματα ευκολότερη να εξηγήσει.

“Οι άνθρωποι δεν είχαν πάρει στα σοβαρά αυτό που η βιολογία λέει σε ένα υπολογιστικό μοντέλο”, δήλωσε ο Shapley.

Οι μαθηματικοί έχουν μια μακρά, επιτυχημένη ιστορία μοντελοποίησης που αλλάζει φαινόμενα, από την κίνηση μπάλες μπιλιάρδου στην εξέλιξη του χωροχρόνου. Αυτά είναι παραδείγματα “δυναμικών συστημάτων” – συστημάτων που εξελίσσονται με την πάροδο του χρόνου σύμφωνα με σταθερούς κανόνες. Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των νευρώνων που εκτοξεύονται στον εγκέφαλο είναι επίσης ένα παράδειγμα ενός δυναμικού συστήματος – αν και είναι ιδιαίτερα λεπτό και δύσκολο να εντοπιστεί σε έναν καθορισμένο κατάλογο κανόνων.

Τα κύτταρα LGN στέλνουν στον φλοιό ένα τραίνο ηλεκτρικών παλμών, το ένα δέκατο του βολτ σε μέγεθος και το ένα χιλιοστά του δευτερολέπτου, δημιουργώντας μια αλληλουχία αλληλεπιδράσεων νευρώνων. Οι κανόνες που διέπουν αυτές τις αλληλεπιδράσεις είναι “απείρως πιο περίπλοκοι” από τους κανόνες που διέπουν τις αλληλεπιδράσεις σε πιο οικεία φυσικά συστήματα, δήλωσε ο Young.

Οι μεμονωμένοι νευρώνες λαμβάνουν ταυτόχρονα σήματα από εκατοντάδες άλλους νευρώνες. Μερικά από αυτά τα σήματα ενθαρρύνουν το νευρώνα να πυροδοτήσει. Άλλοι το συγκρατούν. Καθώς ένας νευρώνας δέχεται ηλεκτρικούς παλμούς από αυτούς τους διεγερτικούς και ανασταλτικούς νευρώνες, η τάση διαμέσου της μεμβράνης του κυμαίνεται. Ενεργοποιείται μόνο όταν αυτή η τάση (το “δυναμικό της μεμβράνης” της) υπερβαίνει ένα ορισμένο όριο. Είναι σχεδόν αδύνατο να προβλέψουμε πότε θα συμβεί αυτό.

“Αν παρακολουθήσετε ένα δυναμικό μεμβράνης ενός νευρώνα, κυμαίνεται άγρια ​​πάνω και κάτω”, είπε ο Young. “Δεν υπάρχει τρόπος να πούμε ακριβώς πότε θα πυροβολήσει.”

Η κατάσταση είναι ακόμα πιο περίπλοκη από αυτή. Οι εκατοντάδες νευρώνες που συνδέονται με τον απλό νευρώνα σας; Κάθε ένας από αυτούς λαμβάνει σήματα από εκατοντάδες άλλους νευρώνες. Ο οπτικός φλοιός είναι ένα στροβιλιστικό παιχνίδι του βρόχου ανάδρασης με τον βρόχο ανάδρασης.

“Το πρόβλημα με αυτό το πράγμα είναι ότι υπάρχουν πολλά κινούμενα μέρη. Αυτό το καθιστά δύσκολο “, δήλωσε ο Shapley.

Τα προηγούμενα μοντέλα του οπτικού φλοιού αγνόησαν αυτό το χαρακτηριστικό. Υπολόγισαν ότι η πληροφορία ρέει με έναν μόνο τρόπο: από το μπροστινό μέρος του ματιού μέχρι τον αμφιβληστροειδή και μέσα στον φλοιό μέχρι το voilà, η όραση εμφανίζεται στο τέλος, τόσο τακτοποιημένο όσο ένα widget που προέρχεται από έναν μεταφορικό ιμάντα. Αυτά τα μοντέλα “προώθησης προς τα εμπρός” δημιουργήθηκαν ευκολότερα, αλλά αγνόησαν τις απλές συνέπειες της ανατομίας του φλοιού – κάτι που πρότεινε ότι οι βρόχοι “ανατροφοδότησης” έπρεπε να είναι ένα μεγάλο μέρος της ιστορίας.

“Οι βρόχοι ανατροφοδότησης είναι δύσκολο να αντιμετωπιστούν επειδή οι πληροφορίες συνεχίζουν να επιστρέφουν και σας αλλάζουν, συνεχίζουν να επιστρέφουν και να σας επηρεάζουν”, είπε ο Young. “Αυτό είναι κάτι που δεν ασχολείται σχεδόν με κανένα μοντέλο και είναι παντού στον εγκέφαλο”.

Στο αρχικό τους χαρτί το 2016, Young, Shapley και Chariker άρχισαν να προσπαθούν να πάρουν αυτούς τους βρόχους ανατροφοδότησης σοβαρά. Οι βρόχοι ανατροφοδότησης του μοντέλου τους εισήγαγαν κάτι σαν το φαινόμενο πεταλούδας: Μικρές αλλαγές στο σήμα από το LGN ενισχύθηκαν καθώς περνούσαν από έναν βρόχο ανατροφοδότησης μετά τον άλλο σε μια διαδικασία γνωστή ως «επαναλαμβανόμενη διέγερση» που είχε ως αποτέλεσμα μεγάλες αλλαγές στην οπτική αναπαράσταση που παρήγαγε το μοντέλο στο τέλος.

Young, Shapley και Chariker απέδειξαν ότι το πλούσιο σε ανατροφοδότηση μοντέλο τους ήταν σε θέση να αναπαράγει τον προσανατολισμό των άκρων σε αντικείμενα – από κάθετη σε οριζόντια και όλα μεταξύ τους – με βάση μόνο μικρές αλλαγές στην αδύναμη είσοδο LGN που εισέρχεται στο μοντέλο.

“[Έδειξαν] ότι μπορείτε να δημιουργήσετε όλους τους προσανατολισμούς στον οπτικό κόσμο χρησιμοποιώντας μόνο μερικούς νευρώνες που συνδέονται με άλλους νευρώνες”, ανέφερε ο Angelucci.

Το όραμα είναι πολύ περισσότερο από ανίχνευση άκρων, όμως, και το χαρτί του 2016 ήταν απλώς ένα ξεκίνημα. Η επόμενη πρόκληση ήταν να ενσωματωθούν πρόσθετα στοιχεία οράσεως στο μοντέλο τους χωρίς να χάσουν το ένα στοιχείο που είχαν ήδη καταλάβει.

“Εάν ένα μοντέλο κάνει κάτι σωστό, το ίδιο μοντέλο θα πρέπει να είναι σε θέση να κάνει διαφορετικά πράγματα μαζί”, δήλωσε ο Young. “Ο εγκέφαλός σας είναι ακόμα ο ίδιος εγκέφαλος, αλλά μπορείτε να κάνετε διαφορετικά πράγματα αν σας δείξω διαφορετικές συνθήκες”.

 

Σμήνη του οράματος

Στα εργαστηριακά πειράματα, οι ερευνητές παρουσιάζουν πρωτεύοντα με απλά οπτικά ερεθίσματα – μαύρα και άσπρα μοτίβα που ποικίλλουν ως προς την αντίθεση ή την κατεύθυνση στην οποία εισέρχονται στα οπτικά πεδία των πρωτευόντων. Χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια που συνδέονται με τους οπτικούς φλοιούς των πρωτευόντων, οι ερευνητές παρακολουθούν τους παλμούς νεύρων που παράγονται ως απόκριση στα ερεθίσματα. Ένα καλό μοντέλο πρέπει να αναπαράγει τα ίδια είδη παλμών όταν παρουσιάζεται με τα ίδια ερεθίσματα.

“Ξέρετε αν παρουσιάζετε [ένα πρωτεύον] κάποια εικόνα, τότε αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο αντιδρά”, δήλωσε ο Young. “Από αυτές τις πληροφορίες προσπαθείτε να αναστρέψετε μηχανικά αυτό που πρέπει να συμβαίνει μέσα.”

Το 2018, οι τρεις ερευνητές δημοσίευσαν ένα δεύτερο έγγραφο στο οποίο απέδειξαν ότι το ίδιο μοντέλο που μπορεί να ανιχνεύσει τις ακμές μπορεί επίσης να αναπαράγει ένα συνολικό πρότυπο παλμικής δραστηριότητας στον φλοιό που είναι γνωστό ως ρυθμός γ. (Είναι παρόμοιο με αυτό που βλέπετε όταν τα σμήνη φωτιάς αναβοσβήνουν σε συλλογικά σχέδια.)

Έχουν μια τρίτη χαρτί υπό αναθεώρηση που εξηγεί πώς ο οπτικός φλοιός αντιλαμβάνεται τις αλλαγές σε αντίθεση. Η εξήγησή τους περιλαμβάνει έναν μηχανισμό μέσω του οποίου οι διεγερτικοί νευρώνες ενισχύουν την δραστηριότητα του άλλου, ένα αποτέλεσμα σαν τη συγκέντρωση του θάρρους σε ένα χορευτικό πάρτι. Αυτός είναι ο τύπος του ratcheting που είναι απαραίτητος εάν ο οπτικός φλοιός πρόκειται να δημιουργήσει πλήρεις εικόνες από τα αραιά δεδομένα εισόδου.

Αυτή τη στιγμή οι Young, Shapley και Chariker εργάζονται για την προσθήκη κατευθυντικής ευαισθησίας στο μοντέλο τους – κάτι που θα εξηγούσε πώς ο οπτικός φλοιός ανασυνθέτει την κατεύθυνση στην οποία τα αντικείμενα κινούνται στο οπτικό σας πεδίο. Μετά από αυτό, θα αρχίσουν να προσπαθούν να εξηγήσουν πώς ο οπτικός φλοιός αναγνωρίζει τα χρονικά μοτίβα στα οπτικά ερεθίσματα. Ελπίζουν να αποκρυπτογραφήσουν, για παράδειγμα, γιατί μπορούμε να αντιληφθούμε τις αναλαμπές σε ένα φανάρι που φωτίζει, αλλά δεν βλέπουμε τη δράση πλαισίου-πλαισίου σε μια ταινία.

Σε αυτό το σημείο, θα έχουν ένα απλό μοντέλο για δραστηριότητα σε ένα μόνο από τα έξι στρώματα στον οπτικό φλοιό – το στρώμα όπου ο εγκέφαλος τραβάει τα βασικά περιγράμματα της οπτικής εντύπωσης. Η δουλειά τους δεν αφορά τα υπόλοιπα πέντε στρώματα, όπου συνεχίζεται η πιο εξελιγμένη οπτική επεξεργασία. Επίσης, δεν λέει τίποτα για το πώς ο οπτικός φλοιός διακρίνει τα χρώματα, που συμβαίνει μέσα από μια εντελώς διαφορετική και πιο δύσκολη νευρική οδό.

“Νομίζω ότι έχουν ακόμα πολύ δρόμο, αν και αυτό δεν σημαίνει ότι δεν κάνουν καλή δουλειά”, δήλωσε ο Angelucci. “Είναι πολύπλοκο και χρειάζεται χρόνος.”

Ενώ το μοντέλο τους απέχει πολύ από το να αποκαλύψει το πλήρες μυστήριο της όρασης, είναι ένα βήμα προς τη σωστή κατεύθυνση – το πρώτο μοντέλο που προσπαθεί να αποκρυπτογραφήσει την όραση με έναν βιολογικώς εύλογο τρόπο.

“Οι άνθρωποι χειροκίνησαν για αυτό το σημείο για μεγάλο χρονικό διάστημα”, δήλωσε ο Jonathan Victor, νευρολόγος στο Πανεπιστήμιο Cornell. “Η εμφάνιση που μπορείτε να κάνετε σε ένα μοντέλο που ταιριάζει στη βιολογία είναι ένας πραγματικός θρίαμβος.”

Πατήστε εδώ για να συνεχίσετε

ΑΦΗΣΤΕ ΜΙΑ ΑΠΑΝΤΗΣΗ

Please enter your comment!
Please enter your name here