Ένα μαθηματικό μοντέλο ξεκλειδώνει τα μυστικά του οράματος

Αυτό είναι το μεγάλο μυστήριο της ανθρώπινης όρασης:Ζωντανές εικόνες του κόσμου εμφανίζονται μπροστά στα μάτια του μυαλού μας, ωστόσο το οπτικό σύστημα του εγκεφάλου λαμβάνει πολύ λίγες πληροφορίες από τον ίδιο τον κόσμο. Πολλά από αυτά που «βλέπουμε» τα φέρνουμε στο μυαλό μας.

«Πολλά από τα πράγματα που νομίζεις ότι βλέπεις τα φτιάχνεις στην πραγματικότητα», είπε ο Lai-Sang Young, μαθηματικός στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης. "Δεν τα βλέπετε στην πραγματικότητα."

Ωστόσο, ο εγκέφαλος πρέπει να κάνει πολύ καλή δουλειά για να εφεύρει τον οπτικό κόσμο, αφού δεν μπαίνουμε συνήθως σε πόρτες. Δυστυχώς, η μελέτη της ανατομίας από μόνη της δεν αποκαλύπτει πώς ο εγκέφαλος φτιάχνει αυτές τις εικόνες περισσότερο από ό,τι το να κοιτάτε επίμονα έναν κινητήρα αυτοκινήτου θα σας επέτρεπε να αποκρυπτογραφήσετε τους νόμους της θερμοδυναμικής.

Νέα έρευνα δείχνει ότι τα μαθηματικά είναι το κλειδί. Τα τελευταία χρόνια, η Young έχει δεσμευτεί σε μια απίθανη συνεργασία με τους συναδέλφους της στο NYU, Robert Shapley, νευροεπιστήμονα, και Logan Chariker, μαθηματικό. Δημιουργούν ένα ενιαίο μαθηματικό μοντέλο που ενώνει χρόνια βιολογικών πειραμάτων και εξηγεί πώς ο εγκέφαλος παράγει περίτεχνες οπτικές αναπαραγωγές του κόσμου με βάση ελάχιστες οπτικές πληροφορίες.

«Η δουλειά του θεωρητικού, όπως το βλέπω, είναι να πάρουμε αυτά τα γεγονότα και να τα συνδυάσουμε σε μια συνεκτική εικόνα», είπε ο Young. "Οι πειραματιστές δεν μπορούν να σας πουν τι κάνει κάτι να λειτουργεί."

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

Η δουλειά τους είναι η πρώτη στο είδος της. Προηγούμενες προσπάθειες για τη μοντελοποίηση της ανθρώπινης όρασης έκαναν ευσεβείς υποθέσεις σχετικά με την αρχιτεκτονική του οπτικού φλοιού. Το έργο των Young, Shapley και Chariker αποδέχεται την απαιτητική, μη διαισθητική βιολογία του οπτικού φλοιού ως έχει — και προσπαθεί να εξηγήσει πώς το φαινόμενο της όρασης είναι ακόμα δυνατό.

«Νομίζω ότι το μοντέλο τους είναι μια βελτίωση στο ότι βασίζεται πραγματικά στην πραγματική ανατομία του εγκεφάλου. Θέλουν ένα μοντέλο που να είναι βιολογικά σωστό ή εύλογο», δήλωσε η Αλεσάντρα Αντζελούτσι, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα.

Επίπεδα και επίπεδα

Υπάρχουν ορισμένα πράγματα που γνωρίζουμε με βεβαιότητα για την όραση.

Το μάτι λειτουργεί ως φακός. Λαμβάνει φως από τον έξω κόσμο και προβάλλει ένα αντίγραφο κλίμακας του οπτικού μας πεδίου στον αμφιβληστροειδή, ο οποίος βρίσκεται 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 συνδεσιμότητα μεταξύ του αμφιβληστροειδούς και του οπτικού φλοιού. Για μια οπτική περιοχή που είναι περίπου το ένα τέταρτο του μεγέθους μιας πανσελήνου, υπάρχουν μόνο περίπου 10 νευρικά κύτταρα που συνδέουν τον αμφιβληστροειδή με τον οπτικό φλοιό. Αυτά τα κύτταρα αποτελούν τον LGN, ή τον πλευρικό γονιδιακό πυρήνα, τη μόνη οδό μέσω της οποίας οι οπτικές πληροφορίες ταξιδεύουν από τον έξω κόσμο στον εγκέφαλο.

Όχι μόνο τα κύτταρα LGN είναι σπάνια - ούτε και πολλά μπορούν να κάνουν. Τα κύτταρα LGN στέλνουν έναν παλμό στον οπτικό φλοιό όταν ανιχνεύουν μια αλλαγή από το σκοτάδι στο φως, ή αντίστροφα, στο μικροσκοπικό τους τμήμα του οπτικού πεδίου. Και αυτό είναι όλο. Ο φωτισμένος κόσμος βομβαρδίζει τον αμφιβληστροειδή με δεδομένα, αλλά το μόνο που χρειάζεται να συνεχίσει ο εγκέφαλος είναι η πενιχρή σηματοδότηση μιας μικροσκοπικής συλλογής κυττάρων LGN. Το να βλέπεις τον κόσμο με βάση τόσο λίγες πληροφορίες είναι σαν να προσπαθείς να ανακατασκευάσεις τον Moby-Dick από σημειώσεις σε χαρτοπετσέτα.

«Μπορεί να σκεφτείτε τον εγκέφαλο σαν να φωτογραφίζει αυτό που βλέπετε στο οπτικό σας πεδίο», είπε ο Young. "Αλλά ο εγκέφαλος δεν τραβάει φωτογραφία, ο αμφιβληστροειδής κάνει και οι πληροφορίες που περνούν από τον αμφιβληστροειδή στον οπτικό φλοιό είναι αραιές."

Αλλά τότε ο οπτικός φλοιός πηγαίνει στη δουλειά. 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 επιστρέφουν από τον αμφιβληστροειδή, υπάρχουν 4.000 νευρώνες μόνο στο αρχικό «στρώμα εισόδου» του οπτικού φλοιού — και πολλοί περισσότεροι στο υπόλοιπο μέρος του. Αυτή η ασυμφωνία υποδηλώνει ότι ο εγκέφαλος επεξεργάζεται σε μεγάλο βαθμό τα λίγα οπτικά δεδομένα που λαμβάνει.

"Ο οπτικός φλοιός έχει το δικό του μυαλό", είπε ο Shapley.

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

Οπτικοί βρόχοι

Η νευρική ανατομία της όρασης είναι προκλητική. Σαν ένα ελαφρύ άτομο που σηκώνει ένα τεράστιο βάρος, ζητά μια εξήγηση:Πώς κάνει τόσα πολλά με τόσο λίγα;

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

"Οι άνθρωποι δεν είχαν πάρει στα σοβαρά αυτό που έλεγε η βιολογία σε ένα υπολογιστικό μοντέλο", είπε ο Shapley.

Οι μαθηματικοί έχουν μακρά, επιτυχημένη ιστορία μοντελοποίησης μεταβαλλόμενων φαινομένων, από την κίνηση των μπάλων του μπιλιάρδου μέχρι την 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 πυροδοτούνται στον εγκέφαλο είναι επίσης ένα παράδειγμα δυναμικού συστήματος — αν και είναι ιδιαίτερα λεπτό και δύσκολο να εντοπιστεί σε μια καθορισμένη λίστα κανόνων.

Τα κύτταρα LGN στέλνουν στον φλοιό μια σειρά ηλεκτρικών παλμών μεγέθους ενός δέκατου του βολτ και διάρκειας ενός χιλιοστού του δευτερολέπτου, πυροδοτώντας έναν καταρράκτη 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, είπε ο Young.

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

«Αν παρακολουθήσετε το δυναμικό της μεμβράνης ενός νευρώνα, αυτό κυμαίνεται άγρια ​​πάνω-κάτω», είπε ο Young. "Δεν υπάρχει τρόπος να πούμε πότε ακριβώς θα πυροδοτηθεί."

Η κατάσταση είναι ακόμη πιο περίπλοκη από αυτό. Αυτοί οι εκατοντάδες νευρώνες που συνδέονται με τον μοναδικό σας νευρώνα; Καθένα από αυτά λαμβάνει σήματα από εκατοντάδες άλλους νευρώνες. Ο οπτικός φλοιός είναι ένα στροβιλιζόμενο παιχνίδι βρόχου ανάδρασης με βρόχο ανάδρασης.

«Το πρόβλημα με αυτό το πράγμα είναι ότι υπάρχουν πολλά κινούμενα μέρη. Αυτό είναι που το κάνει δύσκολο», είπε ο Shapley.

Προηγούμενα μοντέλα του οπτικού φλοιού αγνόησαν αυτό το χαρακτηριστικό. Υπέθεσαν ότι οι πληροφορίες ρέουν μόνο με έναν τρόπο:από το μπροστινό μέρος του ματιού στον αμφιβληστροειδή και στον φλοιό μέχρι το voilà, η όραση εμφανίζεται στο τέλος, τόσο τακτοποιημένη όσο ένα widget που βγαίνει από έναν ιμάντα μεταφοράς. Αυτά τα μοντέλα "τροφοδοσίας προς τα εμπρός" ήταν πιο εύκολο να δημιουργηθούν, αλλά αγνόησαν τις σαφείς επιπτώσεις της ανατομίας του φλοιού — κάτι που πρότεινε ότι οι βρόχοι "ανατροφοδότησης" έπρεπε να είναι ένα μεγάλο μέρος της ιστορίας.

«Οι βρόχοι ανατροφοδότησης είναι πραγματικά δύσκολο να αντιμετωπιστούν, επειδή οι πληροφορίες συνεχώς επιστρέφουν και σας αλλάζουν, συνεχίζουν να επιστρέφουν και να σας επηρεάζουν», είπε ο Young. "Αυτό είναι κάτι με το οποίο σχεδόν κανένα μοντέλο δεν ασχολείται και είναι παντού στον εγκέφαλο."

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

Οι Young, Shapley και Chariker απέδειξαν ότι το πλούσιο σε ανατροφοδότηση μοντέλο τους ήταν σε θέση να αναπαράγει τον προσανατολισμό των άκρων σε αντικείμενα — από κάθετα σε οριζόντια και όλα τα ενδιάμεσα — με βάση μόνο μικρές αλλαγές στην αδύναμη είσοδο LGN που έρχεται στο μοντέλο.

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

Ωστόσο, το Vision είναι πολύ περισσότερο από την ανίχνευση άκρων και το χαρτί του 2016 ήταν μόνο μια αρχή. Η επόμενη πρόκληση ήταν να ενσωματώσουν πρόσθετα στοιχεία όρασης στο μοντέλο τους χωρίς να χάσουν το ένα στοιχείο που είχαν ήδη καταλάβει.

«Αν ένα μοντέλο κάνει κάτι σωστά, το ίδιο μοντέλο θα πρέπει να μπορεί να κάνει διαφορετικά πράγματα μαζί», είπε ο Young. "Ο εγκέφαλός σας εξακολουθεί να είναι ο ίδιος εγκέφαλος, ωστόσο μπορείτε να κάνετε διαφορετικά πράγματα αν σας δείξω διαφορετικές συνθήκες."

Swarms of Vision

Σε εργαστηριακά πειράματα, οι ερευνητές παρουσιάζουν τα πρωτεύοντα με απλά οπτικά ερεθίσματα - ασπρόμαυρα μοτίβα που ποικίλλουν ως προς την αντίθεση ή την κατεύθυνση στην οποία εισέρχονται στα οπτικά πεδία των πρωτευόντων. Χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια συνδεδεμένα στους οπτικούς φλοιούς των πρωτευόντων, οι ερευνητές παρακολουθούν τους νευρικούς παλμούς που παράγονται ως απόκριση στα ερεθίσματα. Ένα καλό μοντέλο θα πρέπει να αναπαράγει τα ίδια είδη παλμών όταν παρουσιάζεται με τα ίδια ερεθίσματα.

«Ξέρετε αν δείξετε [σε ένα πρωτεύον] κάποια φωτογραφία, τότε έτσι αντιδρά», είπε ο Young. "Από αυτές τις πληροφορίες προσπαθείτε να αναθεωρήσετε τι πρέπει να συμβαίνει μέσα."

Το 2018, οι τρεις ερευνητές δημοσίευσαν μια δεύτερη εργασία στην οποία απέδειξαν ότι το ίδιο μοντέλο που μπορεί να ανιχνεύσει άκρες μπορεί επίσης να αναπαράγει ένα συνολικό μοτίβο παλμικής δραστηριότητας στον φλοιό γνωστό ως ρυθμός γάμμα. (Είναι παρόμοιο με αυτό που βλέπετε όταν τα σμήνη από πυγολαμπίδες αναβοσβήνουν σε συλλογικά μοτίβα.)

Έχουν μια τρίτη εργασία υπό εξέταση που εξηγεί πώς ο οπτικός φλοιός αντιλαμβάνεται τις αλλαγές στην αντίθεση. Η εξήγησή τους περιλαμβάνει έναν μηχανισμό μέσω του οποίου οι διεγερτικοί νευρώνες ενισχύουν ο ένας τη δραστηριότητα του άλλου, ένα αποτέλεσμα όπως η συγκέντρωση του ενθουσιασμού σε ένα πάρτι χορού. Αυτός είναι ο τύπος ανύψωσης που είναι απαραίτητος εάν ο οπτικός φλοιός πρόκειται να δημιουργήσει πλήρεις εικόνες από αραιά δεδομένα εισόδου.

Επί του παρόντος, οι Young, Shapley και Chariker εργάζονται για την προσθήκη κατευθυντικής ευαισθησίας στο μοντέλο τους - κάτι που θα εξηγούσε πώς ο οπτικός φλοιός αναδομεί 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 χρονικά μοτίβα στα οπτικά ερεθίσματα. Ελπίζουν να αποκρυπτογραφήσουν, για παράδειγμα, γιατί μπορούμε να αντιληφθούμε τα φλας σε ένα φανάρι που αναβοσβήνει, αλλά δεν βλέπουμε τη δράση καρέ-καρέ σε μια ταινία.

Σε εκείνο το σημείο, θα έχουν ένα απλό μοντέλο δραστηριότητας σε ένα μόνο από τα έξι στρώματα στον οπτικό φλοιό - το στρώμα όπου ο εγκέφαλος χονδρεύει τα βασικά περιγράμματα της οπτικής εντύπωσης. Η δουλειά τους δεν ασχολείται με τα υπόλοιπα πέντε επίπεδα, όπου γίνεται πιο εξελιγμένη οπτική επεξεργασία. Επίσης, δεν λέει τίποτα για το πώς ο οπτικός φλοιός διακρίνει τα χρώματα, κάτι που συμβαίνει μέσω μιας εντελώς διαφορετικής και πιο δύσκολης νευρικής οδού.

«Νομίζω ότι έχουν ακόμη πολύ δρόμο μπροστά τους, αν και αυτό δεν σημαίνει ότι δεν κάνουν καλή δουλειά», είπε ο Angelucci. "Είναι πολύπλοκο και απαιτεί χρόνο."

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 βιολογικά εύλογο τρόπο.

«Οι άνθρωποι κουνούσαν το χέρι για αυτό το σημείο για μεγάλο χρονικό διάστημα», είπε ο Jonathan Victor, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο Cornell. "Το να δείξετε ότι μπορείτε να το κάνετε με ένα μοντέλο που ταιριάζει στη βιολογία είναι ένας πραγματικός θρίαμβος."

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύτηκε στο Wired.com και στα Ισπανικά στη διεύθυνση Investigacionyciencia.es .