Odhalení vizuálních podvodů: Jak mozek předpovídá a upravuje realitu

16. 8. 2024 (mai) - Zkušenosti utvářejí nová neuronová spojení. Náš mozek interpretuje vizuální informace kombinováním všeho, co vidíme, s tím, co už známe. Jak ale naše mozky mísí vizuální podněty s předchozími znalostmi, aby zlepšily vnímání?

Nová studie výzkumníků Champalimaud Foundation odhaluje, že a jak neurony spojují nesourodé koncepty a tím zdokonalují naši schopnost předpovídat a interpretovat vizuální informace na základě minulých zkušeností.

Budování Hierarchie znalostí

Jak se naučíme chápat naše prostředí? V průběhu času si náš mozek vybuduje hierarchii znalostí s pojmy vyššího řádu propojenými s prvky nižšího řádu. Dozvídáme se například, že skříně obsahují šuplíky a že dalmatinští psi mají černobílou srst a ne naopak. Tento propojený rámec utváří naše očekávání a vnímání světa a umožňuje nám identifikovat to, co vidíme na základě kontextu a zkušeností.

"Vezměte si slona," říká Leopoldo Petreanu, hlavní autor studie. "Sloni jsou spojeni s atributy nižšího řádu, jako je barva, velikost a hmotnost, a také s kontexty vyššího řádu, jako jsou džungle nebo safari. Propojování pojmů nám pomáhá porozumět světu a interpretovat nejednoznačné podněty. Pokud jste na safari, je pravděpodobnější, že za křovím zahlédnete slona, než kdybyste byli v metru. Podobně, když víte, že se jedná o slona, je pravděpodobnější, že jej budete vnímat jako šedého i v šeru soumraku. Ale kde ve struktuře mozku jsou tyto předchozí znalosti uloženy a jak se to učí?

Naučené koncepty a předchozí znalosti o tom, jak vypadá dalmatinský pes, vám pomohou interpretovat tento zdánlivě nesmyslný vzorec černých a bílých skvrn. Kredit: David Marr (kniha: Vision by David Marr, MIT Press)

Role zpětné vazby ve vizuálním zpracování

Vizuální systém mozku se skládá z rozsáhlé sítě spolupracujících oblastí, přičemž nižší oblasti zpracovávají jednoduché detaily (např. malé oblasti prostoru, barvy, hrany) a vyšší oblasti představují složitější pojmy (např. větší oblasti prostoru, zvířata, tváře). Buňky ve vyšších oblastech posílají "zpětnou vazbu" souvislostí do nižších oblastí, čímž je staví do pozice, kde se mohou učit a vkládat vztahy v reálném světě formovaném zkušenostmi. Například buňky kódující "slona" mohou posílat zpětnou vazbu buňkám zpracovávajícím funkce jako "šedé", "velké" a "těžké". Vědci se proto pustili do zkoumání, jak vizuální zkušenost ovlivňuje organizaci těchto zpětnovazebních projekcí, jejichž funkční role zůstává do značné míry neznámá.

Vizuální zážitek a připojení zpětné vazby

"Chtěli jsme pochopit, jak tyto projekce zpětné vazby uchovávají informace o světě," říká Rodrigo Dias, jeden z prvních autorů studie. "Za tímto účelem jsme zkoumali účinky vizuálního zážitku na zpětnovazební projekce do nižší vizuální oblasti zvané V1 u myší. Odchovali jsme dvě odlišné skupiny myší: jednu skupinu jsme odchovali v normálním prostředí s pravidelnou expozicí světlem a druhou ve stálé tmě. Poté jsme pozorovali, jak zpětnovazební spojení a buňky, na které se zaměřují ve V1, reagovaly na různé oblasti zorného pole.

Vliv vizuální zkušenosti na propojení mozku

U myší chovaných ve tmě představovala zpětná vazba a buňky V1 přímo pod nimi stejné oblasti vizuálního prostoru. První autorka Radhika Rajan vypráví: "Bylo úžasné pozorovat, jak dobře se prostorové reprezentace vyšších a nižších oblastí u myší s chovem ve tmě shodovaly. To naznačuje, že mozek má vlastní genetický plán pro organizování těchto prostorově zarovnaných spojení, nezávisle na vizuálním vstupu. U normálně chovaných myší však byla tato spojení méně přesně přizpůsobena a více zpětnovazebních vstupů přenášelo informace z okolních oblastí zorného pole.

Rajan pokračuje: "Zjistili jsme, že díky vizuální zkušenosti poskytuje zpětná vazba více kontextových a neotřelých informací, čímž se zvyšuje schopnost buněk V1 vzorkovat informace z širší oblasti vizuální scény." Tento efekt závisel na původu. Pokud byl ve vyšší vizuální oblasti, projekce zpětné vazby z hlubších vrstev s větší pravděpodobností zprostředkovaly informace o okolí ve srovnání s projekcemi z povrchových vrstev.

Adaptace založená na zkušenostech ve vizuální zpětné vazbě

Kromě toho tým zjistil, že u normálně chovaných myší se vstupy zpětné vazby z hlubokých vrstev do V1 organizují podle vzorů, které tyto vrstvy "upřednostňují", jako jsou svislé nebo vodorovné čáry. "Například," říká Dias, "vstupy, které preferují vertikální čáry, se vyhýbají odesílání prostorových informací do oblastí umístěných ve vertikálním směru. Žádné takové zkreslení jsme nenašli v konektivitě u myší s tmavým chovem.

"To naznačuje, že vizuální zážitek hraje klíčovou roli při dolaďování zpětných vazeb a utváření prostorových informací přenášených z vyšších do nižších vizuálních oblastí," poznamenává Petreanu. "Vyvinuli jsme výpočtový model, který ukazuje, jak zkušenost vede k procesu výběru a snižuje spojení mezi zpětnou vazbou a buňkami V1, jejichž reprezentace se příliš překrývají. To minimalizuje redundanci a umožňuje buňkám V1 integrovat rozmanitější škálu zpětné vazby.

Důsledky pro poruchy duševního zdraví

Mozek by možná v rozporu s intuicí mohl uchovávat naučené znalosti spojením buněk, které reprezentují nesouvisející koncepty a u kterých je méně pravděpodobné, že budou společně aktivovány na základě vzorců ze skutečného světa. To by mohl být energeticky (a prostorově – pozn. aut.) velmi efektivní způsob ukládání informací, takže při setkání s novým podnětem, jako je růžový slon, předkonfigurovaná kabeláž mozku maximalizuje aktivaci, zlepšuje detekci a aktualizuje předpovědi o světě.

Identifikace tohoto rozhraní mozku, kde se předchozí znalosti kombinují s novými smyslovými informacemi, by mohla být cenná pro vývoj intervencí v případech, kdy tento integrační proces nefunguje. Jak Petreanu uzavírá: "Předpokládá se, že k takovým nerovnováhám dochází u stavů, jako je autismus a schizofrenie. U autismu mohou jednotlivci vnímat vše jako nové, protože předchozí informace nejsou dostatečně silné, aby ovlivnily vnímání. Naopak u schizofrenie mohou být předchozí informace příliš dominantní, což vede k vjemům, které jsou vnitřně vytvářeny spíše než na základě skutečného smyslového vjemu. Pochopení toho, jak jsou senzorické informace a předchozí znalosti integrovány, může pomoci tyto nerovnováhy řešit."

DOI: 10.1016/j.neuron.2024.07.009

-mai