이것은 인간의 비전의 위대한 신비입니다. 세상의 생생한 그림은 우리의 마음의 눈앞에 나타나지 만 뇌의 시각 시스템은 세상 자체로부터 정보를 거의받지 않습니다. 우리가“보는 것”의 대부분은 우리가 머리 속에 불러 일으 킵니다.
뉴욕 대학의 수학자 인 Lai-Sang Young은“실제로 당신이 실제로 당신이 생각하는 것들을 실제로 만들고 있다고 생각하는 것들을 많이 생각합니다. "실제로 보지 못합니다."
그러나 우리는 일상적으로 문에 부딪치지 않기 때문에 뇌는 시각 세계를 발명하는 데 꽤 좋은 일을해야합니다. 불행히도, 해부학 만 연구하는 것은 뇌가 자동차 엔진을 쳐다 보는 것보다 더 이상 이러한 이미지를 어떻게 만들어내는지를 밝히지 않습니다. 열역학 법칙을 해독 할 수 있습니다.
새로운 연구에 따르면 수학은 핵심입니다. 지난 몇 년 동안 Young은 NYU 동료 인 Robert Shapley와 수학자 인 Logan Chariker와 협력 할 가능성이 거의 없습니다. 그들은 수년간의 생물학적 실험을 통합하는 단일 수학적 모델을 만들고 뇌가 어떻게 시각적 인 정보를 기반으로 세계의 정교한 시각적 재생산을 생성하는지 설명합니다.
영은“이론가의 임무는 내가 본 바와 같이, 우리는이 사실을 취해 일관된 그림에 모으는 것”이라고 말했다. "실험가들은 무엇이 작동하는지 말할 수 없습니다."
Young과 그녀의 공동 작업자들은 한 번에 하나의 기본 비전 요소를 통합하여 모델을 구축하고 있습니다. 그들은 시각 피질의 뉴런이 어떻게 상호 작용하는지 설명하여 물체의 가장자리와 대조의 변화를 감지하고 이제 뇌가 물체가 움직이는 방향을 어떻게 인식하는지 설명하기 위해 노력하고 있습니다.
.그들의 작품은 최초의 일입니다. 인간 비전을 모델링하려는 이전의 노력은 시각 피질의 건축에 대해 희망적인 가정을 만들었습니다. Young, Shapley 및 Chariker의 작품은 시각 피질의 까다 롭고 직관적이지 않은 생물학을 받아들이고 비전의 현상이 여전히 어떻게 가능한지 설명하려고합니다.
“그들의 모델은 실제 뇌 해부학에 실제로 설립된다는 점에서 모델이 개선된다고 생각합니다. 그들은 생물학적으로 정확하거나 그럴듯한 모델을 원한다”고 유타 대학교의 신경 과학자 인 Alessandra Angelucci는 말했다.
.층 및 층
비전에 대해 확실히 알고있는 것이 있습니다.
눈은 렌즈 역할을합니다. 그것은 외부 세계로부터 빛을 받고 시야의 스케일 복제본을 망막에 투영합니다. 망막은 머리 뒤쪽의 뇌의 일부인 시각 피질과 연결되어 있습니다.
그러나 망막과 시각 피질 사이에는 연결성이 거의 없습니다. 보름달의 크기의 대략 1/4 시각적 인 경우, 망막을 시각 피질에 연결하는 약 10 개의 신경 세포 만 있습니다. 이 세포들은 LGN 또는 측면 생성 핵을 구성하며, 시각 정보는 외부 세계에서 뇌로 이동하는 유일한 경로입니다.
LGN 세포가 부족할뿐만 아니라 많은 일을 할 수 없습니다. LGN 세포는 시야의 작은 부분에서 어두운 곳에서 빛으로의 변화를 감지 할 때 시각 피질로 맥박을 보냅니다. 그리고 그게 전부입니다. 조명 된 세계는 망막을 데이터로 폭격하지만, 모든 뇌는 계속해서 LGN 세포의 작은 수집에 대한 빈약 한 신호입니다. 정보가 거의없는 세상을 보는 것은 moby-dick 을 재구성하려는 것과 같습니다. 냅킨의 메모에서.
Young은“뇌가 시야에서 보이는 사진을 찍는 것으로 생각할 수 있습니다. "그러나 뇌는 사진을 찍지 않고 망막이하는 것이며, 망막에서 시각 피질로 전달 된 정보는 드물다."
.그러나 시각 피질이 작동합니다. 피질과 망막은 상대적으로 적은 뉴런으로 연결되어 있지만 피질 자체는 신경 세포와 밀도가 높습니다. 망막에서 뱀이되게하는 10 개의 LGN 뉴런에 대해, 시각 피질의 초기 "입력 층"에는 4,000 개의 뉴런이 있으며 나머지에는 더 많은 뉴런이 있습니다. 이 불일치는 뇌가받는 작은 시각적 데이터를 크게 처리한다는 것을 암시합니다.
Shapley는“시각 피질은 그 자체로 마음이 있습니다.
Young, Shapley 및 Chariker와 같은 연구자들에게는 도전은 그 마음에 일어나는 일을 해독하는 것입니다.
비주얼 루프
시력의 신경 해부학은 도발적입니다. 엄청난 체중을 들어 올리는 작은 사람처럼, 그것은 설명을 요구합니다.
Young, Shapley 및 Chariker는 수학적 모델로 그 질문에 대답하는 첫 번째가 아닙니다. 그러나 이전의 모든 노력은 망막과 피질 사이에 더 많은 정보가 이동한다고 가정했습니다. 자극에 대한 시각적 피질의 반응을 더 쉽게 설명 할 수있는 가정입니다.
Shapley는“사람들은 계산 모델에서 생물학이 말한 것을 진지하게 받아들이지 않았습니다.
수학자들은 당구 공의 움직임에서 시공간의 진화에 이르기까지 변화하는 현상을 모델링하는 길고 성공적인 역사를 가지고 있습니다. 고정 규칙에 따라 시간이 지남에 따라 진화하는 시스템 인 "동적 시스템"의 예입니다. 뇌에서 발사하는 뉴런 사이의 상호 작용은 또한 역동적 인 시스템의 예입니다. 특히 미묘하고 정의 가능한 규칙 목록에서 고정하기 어려운 것입니다.
LGN 세포는 피질을 전기 충동의 열차를 전기적으로 보낸다. 이러한 상호 작용을 지배하는 규칙은보다 친숙한 물리 시스템에서 상호 작용을 지배하는 규칙보다“무한히 더 복잡합니다”라고 Young은 말했다.
개별 뉴런은 수백 개의 다른 뉴런으로부터 동시에 신호를받습니다. 이 신호 중 일부는 뉴런이 발사하도록 장려합니다. 다른 사람들은 그것을 억제합니다. 뉴런이 이러한 흥분성 및 억제 성 뉴런으로부터 전기 펄스를받을 때, 막을 통한 전압이 변동한다. 해당 전압 ( "멤브레인 전위")이 특정 임계 값을 초과 할 때만 발사됩니다. 언제 일어날 지 예측하는 것은 거의 불가능합니다.
Young은“단일 뉴런의 막 전위를 보면 위아래로 변동하고 있습니다. "언제 화재 될시기를 정확히 알 수있는 방법이 없습니다."
상황은 그보다 훨씬 더 복잡합니다. 단일 뉴런에 연결된 수백 개의 뉴런? 이들 각각은 수백 개의 다른 뉴런으로부터 신호를 받고 있습니다. 시각적 피질은 피드백 루프시 소용돌이의 피드백 루프입니다.
“이 문제의 문제는 움직이는 부분이 많이 있다는 것입니다. 그것이 어려운 이유입니다.”라고 Shapley는 말했습니다.
시각 피질의 이전 모델은이 기능을 무시했습니다. 그들은 정보가 한 가지 방법으로 흐르고 있다고 가정했습니다. 눈의 앞쪽에서 망막까지, 피질로, voilà까지, 비전이 컨베이어 벨트에서 나오는 위젯처럼 깔끔하게 나타납니다. 이 "피드 포워드"모델은 만들기가 더 쉬웠지만 피질의 해부학에 대한 명백한 영향을 무시했습니다. 이는 "피드백"루프가 이야기의 큰 부분이어야한다고 제안했습니다.
.Young은“피드백 루프는 정보가 계속 돌아와서 당신을 변화시키기 때문에 실제로 다루기가 어렵습니다. "이것은 거의 모델을 다루지 않는 것이며 뇌의 모든 곳입니다."
.2016 년 초기 논문에서 Young, Shapley 및 Chariker는 이러한 피드백 루프를 심각하게 생각하기 시작했습니다. 그들의 모델의 피드백 루프는 나비 효과와 같은 것을 소개했습니다. LGN의 신호의 작은 변화는 "재발 성 여기"로 알려진 프로세스에서 한 피드백 루프를 통해 한 번의 피드백 루프를 통해 증폭되어 결국 모델에 의해 생성 된 시각적 표현의 큰 변화가 발생했습니다.
.Young, Shapley 및 Chariker는 자신의 피드백이 풍부한 모델이 모델로 들어오는 약한 LGN 입력의 약간의 변화에 따라 수직에서 수평 및 그 사이의 모든 것에서 물체의 가장자리 방향을 재현 할 수 있음을 보여주었습니다.
.Angelucci는“그들은 다른 뉴런에 연결하는 몇 가지 뉴런을 사용하여 시각 세계에서 모든 방향을 생성 할 수 있음을 보여주었습니다.
그러나 비전은 가장자리 감지 이상의 것이며 2016 년 논문은 시작일뿐입니다. 다음 과제는 이미 알아 낸 하나의 요소를 잃지 않고 추가 비전 요소를 모델에 통합하는 것이 었습니다.
Young은“모델이 올바른 일을한다면 같은 모델이 서로 다른 일을 할 수 있어야합니다. "당신의 뇌는 여전히 같은 뇌이지만 다른 상황을 보여 주면 다른 일을 할 수 있습니다."
시력의 무리
실험실 실험에서 연구자들은 기업에 간단한 시각적 자극을 제시합니다. 대비 또는 영장류의 시각적 분야에 들어가는 방향에 따라 흑백 패턴이 있습니다. Primates의 시각 피질에 연결된 전극을 사용하여 연구자들은 자극에 반응하여 생성 된 신경 펄스를 추적합니다. 좋은 모델은 동일한 자극을 제시 할 때 동일한 종류의 펄스를 복제해야합니다.
Young은“[영장류] 일부 사진을 보여 주면 이것이 반응하는 방식입니다. "이 정보에서 당신은 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지 반대 엔지니어링하려고합니다."
.2018 년에 세 명의 연구원은 두 번째 논문을 발표하여 가장자리를 감지 할 수있는 동일한 모델이 감마 리듬으로 알려진 피질에서 전체 펄스 활동 패턴을 재현 할 수 있음을 보여주었습니다. (소방관이 집단 패턴으로 플라이가 깜박일 때 보는 것과 비슷합니다.)
그들은 검토중인 세 번째 논문을 가지고 있으며, 시각 피질이 어떻게 대조적으로 변화를 인식하는지 설명합니다. 그들의 설명에는 흥분성 뉴런이 서로의 활동을 강화하는 메커니즘, 댄스 파티에서의 모임과 같은 효과입니다. 시각적 피질이 희소 입력 데이터에서 전체 이미지를 만들려면 필요한 래칫 팅 유형입니다.
현재 젊고 Shapley와 Chariker는 모델에 방향 감도를 추가하기 위해 노력하고 있습니다. 이는 시각적 피질이 물체가 시야를 가로 질러 움직이는 방향을 어떻게 재구성하는지 설명합니다. 그 후, 그들은 시각 피질이 시각적 자극에서 시간적 패턴을 어떻게 인식하는지 설명하기 시작합니다. 예를 들어, 왜 우리가 깜박이는 신호등에서 플래시를 인식 할 수 있는지, 왜 우리는 영화에서 프레임 별 액션을 볼 수 없습니다.
.그 시점에서, 그들은 시각 피질의 6 개의 층 중 하나에서 활동에 대한 간단한 모델을 갖게 될 것입니다. 뇌가 시각적 인상의 기본 개요를 거칠게하는 층입니다. 그들의 작업은 나머지 5 개의 레이어를 다루지 않으며, 더 정교한 시각적 처리가 진행됩니다. 또한 시각 피질이 어떻게 색상을 구별하는지에 대해서는 아무 말도하지 않습니다.이 색상은 완전히 다르고 더 어려운 신경 경로를 통해 발생합니다.
Angelucci는“나는 그들이 갈 길이 멀다고 생각하지만, 이것은 그들이 좋은 일을하고 있지 않다고 말하는 것은 아닙니다. "복잡하고 시간이 걸립니다."
그들의 모델은 시력의 전체 미스터리를 밝히는 것과는 거리가 멀지 만, 올바른 방향으로 나아가는 단계입니다. 생물학적으로 그럴듯한 방식으로 비전을 해독하는 첫 번째 모델입니다.
.Cornell University의 신경 과학자 인 Jonathan Victor는“사람들은 오랫동안 그 시점에 대해 손을 흔들 었습니다. "생물학에 맞는 모델에서 할 수 있다는 것을 보여주는 것은 진정한 승리입니다."
이 기사는 Wired.com과 Investigacionyciencia.es에서 스페인어로 재 인쇄되었습니다. .
