Нейронная сеть смоделировала процесс зрительного поиска у людей

Как нейронная сеть смоделировала процесс зрительного поиска у людей

Все возрастающий объем экспериментальных данных показывает, что в когнитивной деятельности мозга существенную роль играет динамика электрической активности различных нейронных структур и их взаимодействие в процессе решения задач. В частности, ритмическая активность и ее синхронизация претендуют на роль одного из универсальных механизмов функционирования мозга. Нейробиологи проявляют большой интерес к математическим моделям нейронной динамики, ожидая от них новых идей в объяснении механизмов ритмогенеза, памяти, внимания, распознавания, управления движениями и т.д.

Что известно из экспериментов?

В электрической активности мозга присутствуют разнообразные ритмические компоненты, в той или иной мере проявляющиеся в различных частотных диапазонах. При этом характер колебаний коррелирует с внешними воздействиями и психологическим состоянием исследуемого организма. Устойчивые паттерны ритмической активности были обнаружены в различных структурах мозга на уровне отдельных нейронов, нейронных популяций и структур мозга. Такие экспериментальные данные получены в первичных зонах зрительной и обонятельной коры, сенсомоторной коре, в таламусе, в гиппокампе и в других структурах.

Какова роль колебаний в обработке информации в мозге?

На этот вопрос пока нет определенного ответа. Одна из точек зрения состоит в том, что никакой специальной роли в обработке информации колебательная активность не играет. Она есть всего лишь следствие циклически протекающих процессов в мозге, связанных, например, с циркуляцией информации по кольцевым траекториям. Однако накапливающиеся экспериментальные и модельные данные дают все больше убедительных свидетельств того, что в основе механизмов когнитивных процессов лежит колебательная активность и ее синхронизация в различных структурах мозга. В связи с этим очень ценны математические модели, в которых показано, как экспериментальные данные могут быть объяснены исходя из осцилляторных принципов обработки информации. Один из примеров такой модели разработан сотрудниками Лаборатории нейронных сетей Института математических проблем биологии РАН для объяснения результатов психофизических экспериментов, связанных со зрительным поиском. Модель недавно опубликована в журнале Neural Networks (2017).

Что такое зрительный поиск?

В экспериментах по зрительному поиску испытуемому предъявляется изображение на компьютерном дисплее, содержащее некоторое число объектов. Задача испытуемого состоит в том, чтобы определить, есть ли на изображении так называемый целевой объект, т.е. объект обладающий заранее заданными признаками. Например, в качестве изображения может использоваться набор букв T и L красного и зеленого цвета в разной ориентации, а целевым объектом является буква Tкрасного цвета. При обнаружении целевого объекта испытуемый нажимает определенную клавишу на клавиатуре, а при отсутствии целевого объекта – другую клавишу. Экспериментаторы измеряют время реакции и изучают, как это время зависит от числа объектов на изображении и от степени заметности целевого объекта на фоне других объектов. Эксперименты показывают, что зависимость времени реакции от числа объектов имеет линейный характер, а трудность задачи зрительного поиска отражается в угле наклона линии по отношению к горизонтальной оси: чем труднее задача, тем больше угол наклона.

Что было известно?

Одна из правдоподобных моделей, позволяющих объяснить экспериментальные данные – это модель Управляемого Поиска (Guided Search), разработанная американским ученым Джереми Вольфом. Согласно этой модели процесс поиска идет путем случайного выбора на изображении одного из объектов в фокус внимания. После этого проверяется, является ли выбранный объект целевым. Если является, поиск заканчивается, если нет – выбирается новый объект и так до тех пор, пока либо не будет найден целевой объект, либо закончится отведенное на поиск время. Вероятность выбора целевого объекта в фокус внимания тем выше, чем он заметнее на фоне других объектов. Модель Вольфе чисто стохастическая. Она не объясняет нейронные механизмы, реализующие выбор объекта.

Каковы принципы функционирования модели?

В основе предложенной модели лежат два принципа. Во-первых, предполагается, что в системе внимания есть центральный управляющий элемент (ЦУЭ), который организует обработку зрительной информации, поступающей в первичные и последующие зоны зрительной коры подобно тому, как дирижер управляет игрой оркестра. Во-вторых, предположено, что включение в фокус внимания реализуется путем синхронизации активности ЦУЭ с активностью нейронного ансамбля, кодирующего определенный объект.

Как устроена модель?

Модель представляет собой нейронную сеть, элементами которой являются осцилляторы, представляющие сравнительно большие нейронные ансамбли. Один из осцилляторов играет роль ЦУЭ, а другие осцилляторы, называемые периферическими, представляют различные зрительные объекты. Периферические осцилляторы взаимодействуют с ЦУЭ с помощью прямых и обратных связей. Взаимодействие организовано таким образом, что периферические осцилляторы конкурируют за синхронизацию с ЦУЭ. Победитель этой конкуренции – это и есть нейронный представитель зрительного объекта, который в данный момент включен в фокус внимания. В терминах модели целевой объект отличается от других объектов тем, что соответствующий ему периферический осциллятор оказывает большее синхронизующее влияние на ЦУЭ и таким образом имеет большую вероятность быть включенным в фокус внимания.

Каковы результаты моделирования?

С помощью компьютерных вычислений было показано, что модель может воспроизводить данные о времени поиска для задач различной степени сложности, при этом имеет место линейная зависимость времени поиска от числа объектов на изображении, наблюдаемая в экспериментах.

В чем значимость полученных результатов?

Разработанная модель предлагает простое и неожиданное объяснение для весьма сложного когнитивного процесса. В данное время нет прямых экспериментальных данных, показывающих, что колебательная активность и ее синхронизация имеют отношение к решению задачи зрительного поиска, хотя связь внимания с синхронизацией активности различных нейронных структур продемонстрирована в значительном числе экспериментов. Модель демонстрирует, что осцилляторные процессы и различные режимы синхронизации обладают большими потенциальными возможностями по обработке информации. Это должно стимулировать нейробиологов в дальнейшем поиске экспериментальных подтверждений участия осцилляторных процессов в реализации когнитивных функций.