Инвариантные представления

Помните ли вы, как я назвал кору головного мозга тканью из нервных клеток размером со столовую салфетку и толщиной в шесть визитных карточек, в которой связи между разными зонами создают определенную иерархическую структуру? Сейчас я хочу проиллюстрировать иерархическую структуру неокортекса иначе. Представьте, что мы разрезали эту салфетку на несколько частей, соответствующих зонам, специализирующимся на выполнении определенных задач, и наложили полученные кусочки друг на друга. У нас вышел своеобразный слоеный, или «блинный» пирог. Разрезав «пирог», получим срез (см. рис. 6.3). Разумеется, в действительности неокортекс выглядит по-другому, но благодаря этой картинке вы составите четкое представление о передвижении потоков информации. На рис. 6.1 показано, как информационные сигналы поступают в низшую зону коры головного мозга и передвигаются вверх от зоны к зоне. Обратите внимание, что информационные потоки циркулируют в обоих направлениях.

Рис. 6.1 представляет первые четыре зрительные зоны, вовлеченные в распознание объектов окружающего мира. С их помощью вы узнаете кошку, церковь, свою мать, Большую китайскую стену и так далее. Биологи обозначают эти зоны V1, V2, V4 и IT. Входной визуальный сигнал показан стрелкой под зоной V1. Зрительная информация с сетчатки ваших глаз передается к V1. Этот входной поток информации можно представить как непрерывно изменяющиеся последовательности сигналов, которые передаются приблизительно по миллиону аксонов, составляющих ваш зрительный нерв.

Ранее мы уже упоминали о пространственно-временных сигналах, однако сейчас стоит освежить эти знания, поскольку мы будем часто к ним обращаться. Кора головного мозга состоит из функциональных зон, специализирующихся на отдельных задачах. Эти зоны связаны друг с другом большими пучками аксонов, или нервных волокон, передающих информацию из одной зоны в другую. Каждую секунду какой-то пучок волокон посылает электрический разряд, называемый потенциалом действия, или импульсом, в то время как другие пучки молчат. Общая активность пучка волокон называется паттерном (последовательностью сигналов). Паттерн, полученный зоной V1, будет пространственным, если ваши глаза на мгновение остановились на объекте, и временным, если они его разглядывают.

Примерно трижды в секунду ваши глаза осуществляют скачкообразное движение – саккаду, после чего следует пауза – фиксация. Если бы вы участвовали в эксперименте и исследователь при помощи специального устройства отслеживал движения ваших глаз, вы бы удивились, узнав, насколько резки саккады, при том что воспринимаемое изображение кажется вам постоянным и устойчивым. На рис. 6.2 а показано, как двигались глаза одного из участников эксперимента, когда он рассматривал изображение лица. Обратите внимание, что фиксации вовсе не беспорядочны. А теперь представьте, что вы могли бы видеть паттерн, поступающий к зоне V1 этого человека. Он полностью меняется с каждой саккадой. Значит, несколько раз в секунду зрительная зона коры головного мозга получает совершенно новую последовательность сигналов.

Рис. 6.2. а) Траектория саккад при рассматривании лица человека

Возможно, вы подумаете: «Ну ладно, ведь все равно это лицо остается одним и тем же, несмотря на сдвиги». Доля истины в этом есть, но намного меньшая, чем вы себе представляете. Световые рецепторы на сетчатке глаза распределены неравномерно. Их плотность, очень высокая в центральной ямке, постепенно уменьшается по направлению к периферии глаза. А нервные клетки коры головного мозга, напротив, распределены равномерно. В результате изображение, переданное с сетчатки в первичную зрительную зону V1, очень искажено. Если вы, рассматривая одно и то же лицо, направите взгляд на нос, а потом сконцентрируете его на глазе, зрительный входной сигнал будет очень отличаться, как будто вы смотрите на это лицо через немилосердно дергающийся «рыбий глаз». Тем не менее при взгляде на лицо оно не кажется вам искаженным; изображение не «прыгает» у вас перед глазами. Скорее всего, вы вообще не осознаете, что получаемые от сетчатки визуальные сигналы изменяются, более того – так сильно изменяются. Вы просто видите «лицо» (на рис. 6.2 б показан эффект взгляда на прибрежный пейзаж через линзу «рыбий глаз»). По сути, это переформулирование загадки об инвариантном представлении, о которой мы беседовали в главе 4.

Рис. 6.2. 6) искажение, вызванное неравномерным распределением рецепторов в сетчатке глаза

Возможно, вы подумаете: «Ну ладно, ведь все равно это лицо остается одним и тем же, несмотря на сдвиги». Доля истины в этом есть, но намного меньшая, чем вы себе представляете. Световые рецепторы на сетчатке глаза распределены неравномерно. Их плотность, очень высокая в центральной ямке, постепенно уменьшается по направлению к периферии глаза. А нервные клетки коры головного мозга, напротив, распределены равномерно. В результате изображение, переданное с сетчатки в первичную зрительную зону V1, очень искажено. Если вы, рассматривая одно и то же лицо, направите взгляд на нос, а потом сконцентрируете его на глазе, зрительный входной сигнал будет очень отличаться, как будто вы смотрите на это лицо через немилосердно дергающийся «рыбий глаз». Тем не менее при взгляде на лицо оно не кажется вам искаженным; изображение не «прыгает» у вас перед глазами. Скорее всего, вы вообще не осознаете, что получаемые от сетчатки визуальные сигналы изменяются, более того – так сильно изменяются. Вы просто видите «лицо» (на рис. 6.2 б показан эффект взгляда на прибрежный пейзаж через линзу «рыбий глаз»). По сути, это переформулирование загадки об инвариантном представлении, о которой мы беседовали в главе 4.

Вы воспринимаете не то, что видит зона V1. Откуда ваш мозг знает, что вы смотрите на одно и то же лицо, и почему вашему восприятию совершенно не мешает, что входные сигналы постоянно меняются, более того, они очень искажены?

Поместив в зону V1 электрод и наблюдая за «поведением» отдельных клеток, мы обнаружим, что каждый нейрон посылает разряд только в ответ на зрительный сигнал из крошечной части сетчатки. Такой опыт по изучению зрительной функции проводили много раз. Каждый нейрон зоны V1 привязан к своему рецептивному полю, которое является очень ограниченным по сравнению с общим полем зрения. Нервные клетки зоны V1 ничего не знают о лицах, автомобилях, книгах или других объектах, постоянно встречающихся на вашем пути. Все, что они знают, – это крошечная, как укол булавки, часть всего мира перед вашими глазами.