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观察大脑区域快速感知周围环境的能力

纽约 - 要想在世界各地移动,您需要了解周围环境,尤其是限制运动的限制因素:墙壁,天花板和其他障碍,这些障碍定义了您周围可导航空间的几何形状。

现在,一群神经科学家已经确定了人类大脑中专门用于感知这种几何形状的区域。这个大脑区域以闪电般的速度编码场景的空间约束,并且可能有助于我们对周围环境的即时感觉;让我们在太空中定位,这样我们就可以避免碰到事物,找出我们所处的位置并安全地穿越我们的环境。

今天发表在Neuron上的这项研究为理解我们的大脑帮助我们解决的复杂计算奠定了基础。由哥伦比亚大学Mortimer B. Zuckerman思维脑行为研究所和芬兰阿尔托大学的科学家领导,这项工作还涉及旨在模仿人类大脑视觉能力的人工智能技术的发展。

“视觉给我们一个近乎瞬间的感觉,我们在太空中,特别是表面的几何形状 - 地面,墙壁 - 限制我们的运动。感觉毫不费力,但它需要多个大脑的协调活动哥伦比亚大学扎克曼研究所的首席研究员,该论文的资深作者Nikolaus Kriegeskorte博士说。“神经元如何协同工作以使我们对周围环境产生这种感觉仍然是神秘的。通过这项研究,我们向解决这个难题迈进了一步。”

为了弄清楚大脑如何感知周围环境的几何形状,研究小组要求志愿者查看不同三维场景的图像。图像可能描绘了一个典型的房间,有三面墙,一个天花板和一个地板。然后研究人员系统地改变了现场:例如,移除墙壁或天花板。同时,他们通过在芬兰Aalto的神经影像设施中结合使用两种先进的脑成像技术来监测参与者的大脑活动。

“通过对每个参与者反复进行此操作,我们有条不紊地改变图像,我们可以将他们的大脑如何编码每个场景,”该论文的第一作者,阿尔托大学神经科学和生物医学工程讲师Linda Henriksson博士。

我们的视觉系统被组织成一个阶段的层次结构。第一阶段实际上位于视网膜的大脑外部,可以检测到简单的视觉特征。大脑的后续阶段有能力检测更复杂的形状。通过多个阶段处理视觉信号 - 以及阶段之间的重复通信 - 大脑形成了世界的完整画面,包括其所有颜色,形状和纹理。

在皮质中,首先在称为初级视觉皮层的区域中分析视觉信号。然后将它们传递到几个更高级别的皮质区域进行进一步分析。枕骨位置区域(OPA)是皮质处理的中间阶段,在参与者的脑部扫描中证明特别有趣。

“以前的研究表明,OPA神经元编码场景,而不是孤立的物体,”Kriegeskorte博士说,他也是哥伦比亚大学心理学和神经科学教授兼认知成像主任。“但我们还不了解该地区数百万神经元编码的场景。”

在分析参与者的脑部扫描后,Drs。Kriegeskorte和Henriksson发现OPA活动反映了场景的几何形状。OPA活动模式反映了每个场景组件的存在与否 - 墙壁,地板和天花板 - 传达了场景整体几何形状的详细图片。然而,OPA活动模式并不取决于组件的外观;墙壁,地板和天花板的纹理 - 表明该区域忽略了表面外观,以便仅关注表面几何形状。大脑区域似乎执行了所需的所有必要计算,以便非常快速地了解房间的布局:仅需100毫秒。

“我们的大脑感知周围环境的基本几何形状的速度表明了快速获取这些信息的重要性,”Henriksson博士说。“知道你是在里面还是外面,或者你可能选择导航是关键。”

通过联合使用两种互补成像技术:功能性磁共振成像(fMRI)和脑磁图(MEG),可以获得本研究中获得的见解。功能磁共振成像测量血氧水平的局部变化,反映局部神经元活动。它可以以几毫米的分辨率显示详细的空间活动模式,但在时间上不是很精确,因为每个fMRI测量反映了五到八秒的平均活动。相比之下,MEG测量大脑产生的磁场。它可以以毫秒的时间精度跟踪活动,但不会给出空间详细的图片。

“当我们将这两种技术结合起来时,我们可以解决活动发生的位置和出现的速度。”Henriksson博士说,他收集了阿尔托大学的成像数据。

展望未来,研究团队计划整合虚拟现实技术,为参与者提供更逼真的3D环境体验。他们还计划建立神经网络模型,模仿大脑感知环境的能力。

“我们希望将这些东西放在一起,构建更像我们自己的大脑的计算机视觉系统,这些系统具有专门的机器,就像我们在人脑中观察到的那样,可以快速感知环境的几何形状,”Kriegeskorte博士说。 。

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