Da bi tačno uočili pravac kretanja objekata, pacovi mogu da iskoriste mali, ali veoma koristan skup vizuelnih neurona, koji izgleda funkcionišu na isti način kao i „ćelije uzorka“ koje se nalaze u moždanoj kori primata. Zahvaljujući ovim neuronima, pacovi se mogu osloniti na prilično napredan sistem za obradu pokreta, zasnovan na ekstrakciji vizuelnih informacija visokog nivoa iz slika retine.
Ovo su zaključci nove studije SISSA, upravo objavljene u časopisu Science Advances. Da bi istražio da li mozak pacova sadrži neurone koji su u stanju da reše „problem otvora“, suštinski korak u tačnoj percepciji pokreta, tim predvođen prof. Davideom Zoccolanom snimio je specifičnu grupu ćelija u vizuelnom korteksu pacova i analizirao njihovo ponašanje koristeći modele veštačke inteligencije da bi se objasnile funkcije ćelija.
Rezultati su pokazali da ovi neuroni imaju svojstva koja su uporediva sa osobinama „ćelija uzorka“ koje se nalaze u vizuelnom sistemu primata. Razumevanje procesa koji podržavaju funkcije ovih ćelija može biti korisno ne samo da proširi naše razumevanje vizuelnog sistema, već i da inspiriše razvoj inovativnih sistema veštačkog vida.
Ova nova studija dokazuje kako su pacovi odlični životinjski modeli za ovu svrhu, kao i za proučavanje vida i patologija koje ga mogu pogoditi, kao što su neurodegenerativni ili neurorazvojni poremećaji.
„Procena pravca kretanja objekta je veoma složeno izračunavanje sa perceptivne tačke gledišta. Svaki objekat se sastoji od mnogo različitih delova, koji se grubo mogu posmatrati kao skup orijentisanih segmenata“, objašnjava prof. Zoccolan, koji vodio studiju.
Zoccolan nastavlja: “Neuroni u početnim fazama našeg vizuelnog sistema su osetljivi na prisustvo vizuelnih stimulusa u veoma malom delu vidnog polja (njihovom ‘receptivnom polju’). To znači da svaki od njih može samo da ‘vidi’ u svakom trenutku samo jedan od ovih orijentisanih segmenata“.
„Sve u svemu, kao da su ovi neuroni mogli da razbiju sliku objekta na mnogo malih komponenti: puno malih, orijentisanih segmenata. Ova dekompozicija je fundamentalni korak u procesu koji sprovodi naš vizuelni sistem da bi interpretirao slike. sakupljena od mrežnjače. Međutim, to predstavlja izazov kada je u pitanju opažanje pokreta.“
„U stvari, ovi neuroni mogu samo da mere komponentu kretanja objekta koja je okomita na orijentisanu konturu koju kodiraju. Na primer, to je kao da gledamo našu okolinu kroz malu rupu: ne bismo mogli da vidimo pravo, potpuno kretanje objekta. To je ono što stručnjaci zovu „problem otvora blende“.“
„Da bismo tačno uočili pravac kretanja složenog objekta, signali koje daju ovi neuroni (poznati kao ćelije ‘komponente’) moraju biti dalje obrađeni i integrisani, kako bi nam dali potpuni uvid u pokretni objekat. Kod primata , ova operacija se odvija duž ‘dorzalnog toka’, koji počinje od primarnog vizuelnog korteksa da bi dostigao vizuelna područja višeg reda u parijetalnom režnju, u sve sofisticiranijoj hijerarhiji funkcija“, nastavlja Zoccolan.
Informacije koje dolaze iz komponentnih ćelija tada dostižu tip specijalizovanog neurona u našem vizuelnom sistemu: ćelije uzorka. „Ove ćelije mogu da obrađuju sve dolazne podatke, a zatim ih integrišu kako bi nam omogućile da vidimo kretanje objekta u celosti“, objašnjava Zokolan.
„U našoj studiji smo istražili koji od kortikalnih vizuelnih neurona kod pacova su bili podložni problemu otvora i ponašali se kao komponente ćelija, a koji su bili imuni na njega i ponašali se kao ćelije uzorka“, objašnjava Đulio Mateuči, prvi autor Istraživanje.
„Identifikovali smo malu populaciju neurona tipa šablona u dve različite vizuelne oblasti korteksa pacova. Ovo ukazuje da mozak glodara takođe sadrži neurone koji su u stanju da pruže realističan prikaz pokretnih objekata, na sličan način kao u korteks primata“, nastavlja istraživač.
„I to, uprkos očiglednim razlikama između ove dve vrste. Kod glodara, ove vrste ćelija se nalaze u mnogo manjem broju i rasute su po različitim regionima vizuelnog korteksa, umesto da su grupisane u određenim oblastima, kao što se dešava kod primata.“ “
Da bi razumeli da li se ćelije koje je tim posmatrao zaista mogu smatrati „ćelijama uzorka“, istraživači su pribegli veštačkoj inteligenciji.
„Radili smo sa veštačkim neuronskim mrežama, modelima dubokog učenja koji mogu verno da reprodukuju različite aspekte ponašanja vizuelnih neurona kod primata“, kaže Mateuči. On objašnjava: „Samo razvojem prediktivnih modela zasnovanih na ovim neuronskim mrežama, mogli smo da objasnimo odgovore ćelija uzorka pacova. Tako smo uspeli da isključimo alternativne hipoteze i potvrdimo da su to u stvari stvarne ćelije uzorka. .“
„Naša studija je donela nekoliko zanimljivih zaključaka“, kaže prof. Zokolan. „Prvo, otkrili smo da vizuelni sistem koji je mnogo jednostavniji od našeg, i sa daleko plićom hijerarhijskom strukturom, ipak može da sadrži neurone visokog nivoa koji su specijalizovani za naprednu obradu pokreta. Ovo je interesantno sa komparativne tačke gledišta. pored toga, to bi moglo pokrenuti nove računarske studije i inspirisati nove modele veštačkog vida.“
Druga snaga studije odnosi se na izglede za buduća istraživanja. „Tokom proteklih 15 godina, glodari su se široko koristili za proučavanje vizuelne obrade, kako u normalnim tako iu patološkim uslovima. Ali pitanje za naučnike za vid ostaje isto: u kojoj meri su ove životinje dobri modeli za istraživanje ljudskih vizuelnih funkcija?“
„Ovim radom smo pružili dodatne dokaze koji podržavaju zaključak da je vizuelni korteks glodara dovoljno sličan našem da ga vredi proučavati, čime smo iskoristili izvanredan niz eksperimentalnih alata koji su dostupni u ovim vrstama za ispitivanje neuronskih kola.“
U stvari, budući rad će morati detaljno istražiti kako ovi specijalizovani neuroni funkcionišu kod pacova. Davide Zoccolan zaključuje: „Znamo da se ponašaju kao ćelije uzorka, ali još ne znamo nacrt neuronskih kola iza ove sposobnosti. Ovo je pitanje koje je otvoreno za buduća istraživanja.“
