Grenser I Beregnings Neuroscience

en kommentar til
Komplekse celler reduserer feil for Mü-Lyser illusjonen i en modell av den visuelle ventralstrømmen

Av Zeman, A., Obst, O., Og Brooks, K. R. ((2014). Front. Comput. Neurosci. 8:112. doi: 10.3389 / fncom.2014.00112

Visuelle illusjoner er sensoriske percepts som ikke kan forklares helt fra det observerte bildet, men som oppstår fra det interne arbeidet i det visuelle systemet. I dem oppfatter vi noe som ikke er fysisk tilstede i bildet, og er av interesse for nevrologer fordi de avslører visuell behandling som vi normalt ikke er klar over. For eksempel lar den samtidige kontrastillusjonen oss sette pris på at vi ikke oppfatter luminans i absolutte verdier, og at det visuelle systemet i stedet beregner et objekts luminans i forhold til omgivelsene (Figur 1a).

FIGUR 1
www.frontiersin.org

Figur 1. (A) i den samtidige kontrastillusjonen vises den jevnt grå sentrale linjen mer lysende til høyre når en mørk bakgrunn omgir den. (B) i den klassiske formen Av mü-Lyser-illusjonen ser den horisontale linjen med pilspisser kortere ut enn den horisontale linjen med pilehoder. (C) illusjonen er også tilstede uten de horisontale linjene. (D) Legg merke til at illusjonen ikke er tilstede når betrakteren analyserer lokale egenskaper, for eksempel ved å avgjøre om kryssene er justert vertikalt. Det kan forstås at kryssene er justert vertikalt (B), selv Om denne oppfatningen motsetter seg den illusoriske effekten av de horisontale linjene som har forskjellige lengder. (E) den sammenhengende versjonen av illusjonen (avbildet nederst) er skjult i en bakgrunn av linjer. Mü-Lyser-figuren vises over bakgrunnen når begge bildene smeltes sammen ved å redusere øyevergen, dvs. som om man fokuserer et objekt bak bildets plan. (F) forklaringen på lavt nivå sier at illusjonen oppstår fra lavpassegenskapene til senter-surround (øvre panel) og enkle celler (nedre panel) i tidligere stadier av den visuelle behandlingen. Denne hypotesen ble ikke favorisert av resultatene Fra Zeman og kolleger. (G) «carpentered world» – forklaringen sier at pilspisser og haler indikerer at linjene er hjørner på forskjellige dybder, og at det visuelle systemet beregner størrelsen på linjene som tar hensyn til dette. De røde linjene har samme lengde.

ved å dissociere våre sensoriske percepter fra de fysiske egenskapene til en stimulus, gir visuelle illusjoner nevrologer en unik mulighet til å studere nevronmekanismer som ligger til grunn for våre sensoriske erfaringer (Eagleman, 2001; Panagiotaropoulos et al., 2012). De fremtredende perceptene som visuelle illusjoner skaper, sammen med det faktum at de oppstår fra intern behandling, stimulerer stadig forskere til å søke etter mekanismen og plasseringen i hjernen der illusjoner kommer fra. Imidlertid har illusjoner vist seg så vanskelig å forklare som andre perceptuelle fenomener.

den fysiologiske opprinnelsen til noen illusjoner har blitt undersøkt hos dyr, hvorav noen er kjent for å oppleve dem på samme måte som mennesker(Tudusciuc og Nieder, 2010). Denne forskningen viser at perseptuelle fenomener som visuell maskering, flash undertrykkelse, fylling – in, bevegelse-indusert dybde ,og kyklopiske persepsjon (tilfeldige punkt stereograms) er til stede i tidlige stadier av visuell prosessering i strukturer som thalamus, og de primære og sekundære visuelle cortices (Carney et al., 1989; Macknik et al., 2000; von Der Heydt et al., 2000; Grinvald Og Hildesheim, 2004; Wilke et al., 2009).

Mü-Lyser-illusjonen (MLI) Er en enkel og mye studert geometrisk illusjon som i sin klassiske form består av to horisontale linjesegmenter som oppfattes å ha forskjellige lengder avhengig av om de har pilehoder eller pilehaler ved sine endepunkter(Figur 1B-E–. I et forsøk på å forstå nevronmekanismer bak illusjonen tidligere arbeid Av Zeman et al. (2013) viste AT MLI er tilstede i det flerlags kunstige nettverket HMAX, som er en modell som inkorporerer mange funksjoner i primat visuelle systemet (Serre et al., 2005). Forfatterne trente først nettverket for å kategorisere bilder av korte og lange horisontale aksler, presentert i konfigurasjoner som ikke fremkaller illusjonen hos mennesker. Etter denne opplæringen ba de nettverket om å klassifisere aksellengder av bilder som inneholder den klassiske MLI.

resultatene viser AT hmax-nettverket viste en bias i klassifiseringen av de horisontale akslene, og klassifiserte de med pilspisser som kortere enn de faktisk var. Interessant nok var størrelsen på forspenningen lik den som ble målt hos mennesker, og denne effekten ble også modulert av vinkelen til finnene, med mindre vinkler (nærmere den horisontale akselen) som produserte en større forspenning. Det er viktig at forfatterne viste at det endelige klassifiseringslaget, det vil si laget som kategoriserer bildene så lenge eller kort, ikke stole bare på enheter med høye romlige frekvenser. Dette resultatet unnlater å støtte forklaringen på illusjonen på lavt nivå som sier at lavpassegenskapene til senter-surround og enkle celler kan være hovedårsaken til illusjonen (Figur 1f). Videre, gitt at nettverket ikke ble trent med naturlige bilder, og at det ikke inneholdt informasjon i forhold til dybden, var ikke forklaringen på illusjonen på høyt nivå heller (Figur 1g; Segall et al.(1963; Ninio, 2014).

det nye arbeidet Til Zeman et al. (2014) utdyper de tidligere resultatene ved å demonstrere at størrelsen på illusjonen øker etter behandling av lag med enkle celler, og at den avtar etter behandling av lag med komplekse celler. Reduksjonen av illusjonen av komplekse celler antyder at egenskapen til posisjonell invarians (evnen til å reagere på en stimulus til tross for sin romlige plassering) kan gjøre disse nevronene mindre følsomme for bias indusert av illusjonen. Disse nye resultatene indikerer at STØRRELSEN PÅ MLI kan representeres forskjellig på tvers av forskjellige nevronpopulasjoner, og at mer abstrakte representasjoner av bildene kan være mindre følsomme for de illusoriske effektene.

mekanismene bak illusjonen er fortsatt unnvikende. Som Zeman og kolleger viser, kan forklaringen på lavt nivå, til tross for sin attraktive enkelhet, ikke være den komplette historien. Som det er vist med tilfeldige punkter stereogrammer og andre kikkertversjoner av illusjonen (Figur 1e), KAN MLI genereres på et behandlingsnivå utover de enkle senter-surround-mottakelige feltene, selv i fravær av luminanskontrast (Julesz, 1971). Selv om» carpentered world » – hypotesen ikke er nødvendig for å forklare illusjonen, tyder involveringen av parietal-og occipito-temporal cortices på at det er sannsynlig at høyere kognitive prosesser er involvert (Weidner Og Fink, 2007; Mancini et al., 2011).

MLI demonstrerer at den intuitivt enkle instruksjonen «sammenlign lengden på de to horisontale linjene» ikke bæres av det visuelle systemet så greit som det subjektivt føles. Det er klart at det visuelle systemet sammenligner noe annet på tvers av tegningene, og det kan være relatert til komplette visuelle objekter, ikke til lokal informasjon. Når du blir spurt om størrelsen, kan vårt visuelle system dømme størrelsen på de komplette objektene. Dette kan demonstreres ved å fokusere vår oppmerksomhet på et lokalt trekk Ved mü-Lyser-tegningen, for eksempel ved å prøve å avgjøre om endepunktene til pilene er justert vertikalt (Figur 1d). Det kan verdsettes, selv I Figur 1B ELLER Figur 1C, at hjørner er justert vertikalt, en oppfatning som indikerer at illusjonen ikke er tilstede på lokalt nivå.

MLI-illusjonen er en villedende enkel perceptuell opplevelse som fortsetter å tiltrekke oppmerksomheten til nevrologer. Arbeidet Til Zeman og kolleger antyder at to ofte citerte årsaker til illusjonen, lavpassfiltreringsegenskapene til visuelle nevroner og «carpentered world» – hypotesen, ikke er nødvendig for å generere illusjonen i et primatlignende visuelt system. Fremtidig arbeid vil være nødvendig for å belyse mekanismene som hjernen anslår og sammenligner størrelsen på visuelt identifiserte objekter.

Interessekonflikt

forfatterne erklærer at forskningen ble utført i fravær av kommersielle eller økonomiske forhold som kan tolkes som en potensiell interessekonflikt.

Anerkjennelser

vi anerkjenner støtten Fra Direcció Generelt Om Registrering av En Personlig Konto Ved Å Ha Valgt En Valgfri Registreringsdato Eller En Registreringsdato Og Consejo Nacional De Ciencia y Tecnologí. Vi takker Edgar Bolañ for teknisk assistanse.

Carney, T., Paradiso, Ma, Og Freeman, R. D. (1989). Et fysiologisk korrelat Av Pulfrich-effekten i kortikale nevroner av katten. Visjon Res. 29, 155-165. doi: 10.1016/0042-6989(89)90121-1

Pubmed Abstrakt / Pubmed Fulltekst / CrossRef Fulltekst / Google Scholar

Eagleman, D. M. (2001). Visuelle illusjoner og nevrobiologi. Nat. Pastor Neurosci. 2, 920–926. doi: 10.1038/35104092

Pubmed Abstrakt / Pubmed Fulltekst / CrossRef Fulltekst / Google Scholar

Grinvald, A., Og Hildesheim, R. (2004). VSDI: en ny epoke i funksjonell avbildning av kortikal dynamikk. Nat. Pastor Neurosci. 5, 874–885. doi: 10.1038 / nrn1536

Pubmed Abstrakt / Pubmed Full Tekst / CrossRef Full Tekst / Google Scholar

Julesz, B. (1971). Grunnlaget For Cyclopean Persepsjon. Oxford: U. Chicago Press.S.

Google Scholar

Macknik, S. L., Martinez-Conde, S., Og Haglund, M. M. (2000). Rollen av spatiotemporale kanter i synlighet og visuell maskering. Proc. Natl. Acad. Sci. Usa 97, 7556-7560. doi: 10.1073 / pnas.110142097

Pubmed Abstrakt | Pubmed Fulltekst | CrossRef Fulltekst | Google Scholar

Mancini, F., Bolognini, N., Bricolo, E., Og Vallar, G. (2011). Kryssmodal behandling i occipito-temporal cortex: EN Tms-Studie av mü-Lyser-illusjonen. J. Cogn. Neurosci. 23, 1987–1997. doi: 10.1162 / jocn.2010.21561

Pubmed Abstrakt | Pubmed Fulltekst | CrossRef Fulltekst | Google Scholar

Ninio, J. (2014). Geometriske illusjoner er ikke alltid der du tror de er: en gjennomgang av noen klassiske og mindre klassiske illusjoner, og måter å beskrive dem på. Front. Hum. Neurosci. 8:856. doi: 10.3389 / fnhum.2014.00856

Pubmed Abstrakt | Pubmed Fulltekst | CrossRef Fulltekst | Google Scholar

Panagiotaropoulos, T. i., Deco, G., Kapoor, V., Og Logothetis, N. K. (2012). Neuronale utladninger og gamma-svingninger reflekterer eksplisitt visuell bevissthet i den laterale prefrontale cortex. Neuron 74, 924-935. doi: 10.1016 / j.neuron.2012.04.013

Pubmed Abstrakt / Pubmed Fulltekst / CrossRef Fulltekst / Google Scholar

Segall, M. H., Campbell, D. T., Og Herskovits, M. J. (1963). Kulturelle forskjeller i oppfatningen av geometriske illusjoner. Vitenskap 139, 769-771. doi: 10.1126 / vitenskap.139.3556.769

Pubmed Abstrakt | Pubmed Fulltekst | CrossRef Fulltekst | Google Scholar

Serre, T., Wolf, L., Og Poggio, T. (2005). «Objektgjenkjenning med funksjoner inspirert av visuell cortex,» i Ieee Computer Society Konferanse Om Datasyn og Mønstergjenkjenning, 2005. CVPR 2005, Vol. 2 (IEEE), 994-1000.

Tudusciuc, O., Og Nieder, A. (2010). Sammenligning av lengde dommer Og Mü-Lyser illusjon hos aper og mennesker. Exp. Brain Res. 207, 221-231. doi: 10.1007 / s00221-010-2452-7

Pubmed Abstrakt / Pubmed Fulltekst / CrossRef Fulltekst / Google Scholar

von Der Heydt, R., Zhou, H., Og Friedman, H. S. (2000). Representasjon av stereoskopiske kanter i apen visuell cortex. Visjon Res. 40, 1955-1967. doi: 10.1016 / S0042-6989(00)00044-4

Pubmed Abstrakt / Pubmed Fulltekst / CrossRef Fulltekst / Google Scholar

Weidner, R. Og Fink, G. R. (2007). De nevrale mekanismene som ligger til grunn For [email protected] og dens interaksjon med visuospatiale dommer. Cereb. Cortex 17, 878-884. doi: 10.1093/cercor/bhk042

Pubmed Abstrakt / Pubmed Full Tekst / CrossRef Full Tekst / Google Scholar

Wilke, M., Mueller, Km, Og Leopold, Da (2009). Neural aktivitet i den visuelle thalamus reflekterer perseptuell undertrykkelse. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 106, 9465-9470. doi: 10.1073 / pnas.0900714106

Pubmed Abstrakt | Pubmed Fulltekst | CrossRef Fulltekst | Google Scholar

Zeman, A., Obst, O. Og Brooks, K. R. (2014). Komplekse celler reduserer feil for mü-Lyser-illusjonen i en modell av den visuelle ventralstrømmen. Front. Comput. Neurosci. 8:112. doi: 10.3389 / fncom.2014.00112

Pubmed Abstrakt | Pubmed Fulltekst | CrossRef Fulltekst | Google Scholar

Zeman, A., Obst, O., Brooks, K. R., Og Rich, A. N. (2013). Den mü-lyser illusjonen i en beregningsmodell av biologisk objektgjenkjenning. PLoS EN 8: e56126. doi: 10.1371 / tidsskrift.pone.0056126

Pubmed Abstrakt | Pubmed Full Tekst | CrossRef Full Tekst | Google Scholar