Тайны визуального восприятия: как мозг отделяет границы объекта от фона

28 декабря 2021

Чтобы понять визуальную сцену, мы отделяем фигуры от фона, назначая границы объектам переднего плана. Этому процессу дано определение «владение границами». В опубликованной статье в журнале eLife ученые постарались на примере приматов определить, как нейроны в зрительной коре кодируют то, какому объекту принадлежит граница, и как области мозга взаимодействуют для интерпретации сенсорной информации и создания общей картины мира. Это исследование может помочь разобраться в психических процессах, связанных с нарушением восприятия.

Ваза Рубина. Credit Jeremy Stockwell / flickr

За основу исследования взята известная оптическая иллюзия, придуманная датским психологом Эдгаром Рубином и получившая название «Ваза Рубина». Ее смысл в том, что при неизменном воздействии изображения на сетчатку мы попеременно видим то вазу, то два обращенных друг к другу лица.

Исследователи предложили несколько идей, связанных с тем, как мозг воспринимает границы визуальной сцены. Одни ученые предполагали, что информация проходит из глаза в мозг, постепенно проникая в более глубокие области, пока мозг не построит картину полностью. Согласно другой гипотезе, важной частью обработки информации служит «обратная связь», когда информация из глубоких слоев обработки вновь возвращается в области ассоциативные, как бы анализируя информацию.

Авторы работы решили проверить эти две гипотезы. В эксперименте приняли участие два самца макаки-резуса (Macaca mulatta) 15 и 13 лет, которые не имели предшествующей экспериментальной истории и содержались в отдельных клетках в комнате для приматов, где обитало до шести животных одного и того же вида.

Хирургическим путем при помощи краниотомии (операция для доступа к мозгу) они ввели в мозг нанозонд и над угловой извилиной вживили записывающую камеру. Затем при помощи онлайн-анализа данных радиочастотного картирования исследователи выбрали положение, размер и цвет исследуемой области. Ученые провели параллели с исследованиями, проведенными профессором Чжоу и др. в 2000 году.

Показаны две кортикальные колонки, каждая из которых реагирует на вертикальные грани в классическом рецептивном поле (cRF), но у них есть противоположные предпочтительные стороны владения границами (обозначено направлением стрелок на единицах в столбцах и символом под каждым столбцом). Такие колонки могут быть, а могут и не быть смежными. Самое раннее проявление избирательности владения границами в глубоких слоях символизируется положением единиц глубокого слоя около левого края колонки. Светло-серые и темно-серые стрелки указывают, куда в первую очередь, вероятно, поступают различные типы информации о стимулах. Credit: Tom P Franken, John H Reynolds / eLife 2021

К каким же заключениям пришли ученые в итоге? По их данным, избирательность «владения границами» изначально не достигается прямым путем. Им удалось установить, что нейроны глубокого слоя вычисляют избирательность «владения границами» значительно раньше, чем нейроны в зернистом слое и в поверхностных слоях. Также исследователи обнаружили, что предпочтение распределяется между слоями мозга столбчатым образом.

Таким образом, оценка границ в мозге происходит путем сравнения активности между нейронами из противоположно настроенных столбцов. Это значительно продвигает наше понимание того, как устроена визуальная система и обработка визуальных стимулов.

Текст: Александра Безродная

Columnar processing in primate visual cortex. Tom P Franken, John H Reynolds. eLife

DOI: 10.7554/eLife.72573