ЗРЕНИЕ — — это многозвеньевой процесс, обеспечивающий мозг более чем 90% сенсорной информации Обработка информации начинается в сетчатке и продолжается в латеральных коленчатых телах (ЛКТ) и зрительной коре. Детектирование — — это избирательное выделение сенсорным нейроном какого-либо признака раздражителя, имеющего поведенческое значение (ориентация, контраст, движение и т.п.) Видимый образ является результатом многоэтапной обработки исходной зрительной информации по определенным алгоритмам.
Работа Хьюбела и Визела установила, что кора является не пассивным приемником, а активным анализатором и фильтром визуальных признаков. Открытия Сперри показали, что для осознания стимула и вербализации (словесного отчета) необходимо, чтобы сенсорная информация поступила в левое (речевое) полушарие. Лауреат Область исследования Вклад (Согласно источникам) Д. Хьюбел и Т. Визел Нейроны зрительной системы За открытие специализированных детекторов признаков (ориентации, движения, пространственной частоты) в зрительной коре, установив иерархию обработки. Р. Сперри Функциональная специализация полушарий За открытие функциональной специализации полушарий головного мозга. Его работы с пациентами с «расщепленным мозгом» (перерезкой мозолистого тела) показали, что каждое полушарие может функционировать изолированно.
«Наше первое настоящее открытие случилось совершено неожиданно. На протяжении двух или трёх часов у нас ничего не получалось. Затем постепенно мы начали различать какие-то смутные и непостоянные ответы при стимуляции где-то на границе между центром и периферией сетчатки. Спустя некоторое время, после небольшой паники, мы выяснили, что же случилось. Во время того, как мы вставляли слайд на стекле, его край отбрасывал на сетчатку слабую, но чёткую тень, в виде прямой тёмной линии на светлом фоне. Это было именно то, чего хотела клетка, и, более того, она хотела, чтобы эта линия имела строго определённую ориентацию. Это было неслыханно. Сейчас даже трудно подумать и представить себе, насколько далеко мы были от какой-либо идеи относительно того, какую роль могут играть клетки коры в обычной жизни животного
Уровни Типы клеток Функции Рецептивные поля Первый (начальный) уровень (Сетчатка, НКТ) Клетки сетчатки и НКТ с ON- и OFF -центрами – детекторы пятен Детекция светлых и тёмных пятен Малы, с ON- и OFF- центрами Первичная кора Простые клетки Детекция линии Вытянутая структура рецептивных полей, разделённые на зоны активности и торможения Сложные клетки Детекция движений Вытянутая структура рецептивных полей Высшие отделы коры Сверхсложные клетки – детекторы углов Детекция углов, изломов и концов линий Комбинирование возбуждающих и тормозящих сигналов
Клетки сетчатки и НКТ с ON- и OFF -центрами Схема слоев сетчатки
Оптимальными стимулами служили: для клетки А – светлая полоса против возбуждающей области (+); для клетки Б – темная линия, покрывающая тормозную зону (-); для клетки В – резкая граница «темное – светлое», совпадающая с границей между возбуждающей и тормозной зонами. Стимулы разных конфигураций вызывают различные реакции клетки с рецептивным полем такого типа, как А. Карты трех типичных рецептивных полей простых клеток
Входное изображение Глазные рецепторы и простые клетки (реакция на линии и грани с разной ориентацией) Сложные клетки (интегрируют сигналы от простых клеток, независимо от точного положения) Обработка сигналов по направлениям (горизонталь, вертикаль, диагонали) Суммирование сигналов сложных клеток с разных направлений в каждой точке Вычисление локальных максимумов изменения направления (градиенты, кривизна) Детекция углов изломов Детекция концов линий Карта углов и концов линий Схема детекции углов изломов и концов линий за счет объединения сигналов от сложных клеток
Исследования пластичности: Монокулярная депривация Вопрос исследования: Как опыт и окружающая среда влияют на формирование зрительной системы ? Гипотеза: Для правильного развития мозга необходим зрительный стимул в определенное время жизни (критический период). Объект: Были выбраны новорожденные котята, так как их зрительная система похожа на человеческую, но развивается гораздо быстрее
Методология: Лишение зрения 1. Монокулярная депривация: Котенку накладывали повязку на один глаз, полностью лишая его зрительной информации 2. Контроль: Второй глаз оставался открытым и функционировал нормально 3. Эксперименты проводились на разных стадиях развития котят — от рождения до нескольких месяцев
1. Открытие «Критического периода» У котят этот период длится примерно с 4-й по 12-ю неделю жизни 2. Драматические физиологические изменения Если закрыть один глаз всего на 3–4 дня в разгар этого периода (например, на 4-й неделе), это приводит к катастрофическим и зачастую необратимым последствиям 3. «Функциональная слепота» = «ленивый глаз» - амблиопия
4. Эксперимент с обратным швом Процедура: Котенку сначала закрывали один глаз на критический период, вызывая ослабление его представительства в коре. Затем повязку перемещали на ранее открытый, сильный глаз, а слабый глаз открывали. Значение: Это доказало, что кора не просто повреждается, но сохраняет высокую пластичность в течение критического периода и может перераспределять ресурсы в зависимости от опыта. БЫЛО СТАЛО
следующая серия экспериментов
Такие котята не видят горизонтальные предметы
Если свет не попадает в глаза котёнку в течении чувствительного « сензитивного » периода, ТО…
ИТОГ 1. Существование критических периодов 2. Нейронная пластичность 3. Ключевой механизм – конкуренция 4. Клиническое применение P.S. Наша способность видеть мир - это не просто результат работы «зашитой» в мозг программы, а динамический процесс, в котором гены и опыт вступают в сложное взаимодействие, формируя самый главный наш орган восприятия.
1959 1980 Девид Хьюбел и Торстен Визель Кунихико Фукусима
1990 2012 Ян Лекун Алексей Крижевский, Джефри Хинтон, Илья Суцкевич
локальные перцептивные поля Нейроны в первичной зрительной коре ( V1) реагируют не на свет вообще, а на стимулы в очень маленькой конкретной области сетчатки Влияние на AI Операция свертки. Небольшое ядро (фильтр) скользит по изображению, обрабатывая локальную область за раз. Сеть учится не на всём изображении сразу, а на небольших фрагментах, что эффективно и соответствует биологическому зрению
Детекторы признаков (Простая клетка) Нейроны первого порядка (простые клетки) активизируются на ориентированные поля или линии определенного угла в конкретном месте их перцептивного поля Свёрточные фильтры. Каждый фильтр на начальном слое обучается распознавать паттерны: градиент яркости, края, цветовые переходы. Сеть самостоятельно обучается из данных тому, каким признакам стоит уделять внимание Ключевые Открытия Хьюбела и Везеля Влияние на AI
Устойчивость к сдвигу (сложная клетка) Нейроны следующего порядка (сложные клетки) также реагируют на ориентированные края, но их реакция инвариантна к положению в пределах бОльшего перцептивного поля. То есть нейрон реагирует на вертикальную линию, где бы она ни появилась в его поле Операция пулинга ( pooling). Эта операция уменьшает разномерность карты признаков, оставляя только самые сильные активации. Пуллинг обеспечивает инвариантность к небольшим сдвигам и искажениям. Сеть перестает «паниковать» если объект на изображении сместился на несколько пикселей Ключевые Открытия Хьюбела и Везеля Влияние на AI
Иерархическая организация Простые клетки посылают сигналы сложным клеткам. Те, в свою очередь, посылают сигналы клеткам следующего порядка, которые могут реагировать на более сложные паттерны Многослойная архитектура CNN. 1. Первые слои обнаруживают края и текстуры 2. Средние слои комбинируют их на части Глубокие слои распознают целые объекты Ключевые Открытия Хьюбела и Везеля Влияние на AI
Распознавание лиц и биометрия Автономные транспортные средства Медицина и здравоохранение 4. Ретушь и обработка фотографий 5. Розничная торговля и E-commerce 6. Промышленность и сельское хозяйство 7. Дополненная реальность и виртуальная реальность 8. Спорт и аналитика 9. Модерация контента 10. Искусство и развлечения
Благодарим Вас за внимание!
