Мозг ускоряет восприятие, догадываясь о том, что будет дальше

Автор оригинала: Jordana Cepelewicz
  • Перевод

Ваши ожидания формируют и ускоряют ваше восприятие. Новая модель, объясняющая этот эффект, предлагает обновить теории обработки сигналов.



Если вы ожидаете определённый вкус, а ваш язык чувствует другой – он покажется вам неприятным. Если вкус будет ожидаемым, вы почувствуете его быстрее.

Представьте, что вы взяли стакан, и думаете что внутри – яблочный сок, а потом, пригубив, обнаруживаете, что это имбирный эль. Даже если вы обычно любите содовую, на этот раз вкус кажется вам противным. Всё потому, что контекст и внутренние состояния, включая ожидание, влияют на то, как животные ощущают и обрабатывают информацию с органов чувств, поясняет Альфредо Фонтанини, нейробиолог из Университета Стони-Брук в Нью-Йорке. В данном случае ожидание не того стимула приводит к удивлению и отрицательной реакции.

Однако это влияние не ограничивается качеством восприятия. Среди прочих эффектов, настройка органов чувств на ожидание входных данных, хороших или плохих, может увеличить скорость обнаружения, определения и реакции на них животного.

Много лет назад Фонтанини с командой обнаружили прямые свидетельства этого эффекта ускорения во вкусовой коре – участке мозга, отвечающем за восприятие вкуса. С тех пор они пытаются найти в коре структуру, делающую этот эффект возможным. И вот им это удалось. В апреле 2019 они опубликовали свои открытия в журнале Nature Neuroscience: модель сети с определённой архитектурой, которая не только предлагает новые идеи о принципах работы ожидания, но и заходит на территорию более широких вопросов о том, как нейробиологи должны относиться к восприятию. Более того, выводы в чём-то совпадают с теорией принятия решений, утверждающей, что мозг не выстраивает решения постепенно, а принимает их скоропалительно.

Ускоренные чувства и активные состояния


Вкус, наименее изученное ощущение, был идеальной отправной точкой. После того, как вкус появляется на языке, проходит несколько сотен миллисекунд до того, как активность вкусовой коры начинает отражать входные данные. «В терминах работы мозга это ужасно долго, — сказал Дон Кац, нейробиолог из Брандейского университета в Массачусетсе (в лаборатории которого Фонтанини проходил постдокторантуру). – В визуальной коре всё происходит за малую долю этого времени», из-за чего у зрения гораздо труднее распознать эффект ожидания, который хотели изучать учёные.

В 2012 Фонтанини с коллегами провели эксперимент, в котором крысы слышали звук («предварительную подсказку»), а потом получали небольшую дозу пищи через трубку в пасти. Сам её вкус мог быть сладким, солёным, кислым или горьким, и в подсказке не было никакой информации касаемо его характера.

И всё равно было обнаружено, что в целом ожидание вкуса заставляло нейроны вкусовой коры распознавать стимул почти в два раза быстрее, по сравнению с тем, когда крысы получали пищу, не слыша предварительного звука. Задержка падала с примерно 200 мс до 120 мс.

Фонтанини хотел узнать, какая нейросеть теоретически позволит осуществлять ускорение кодирования. Он привлёк специалиста, не работавшего ранее в области вкуса: коллегу из Стони-Брук, нейробиолога Жанкарло ла Камеру, работавшего ранее над моделированием спонтанной активности мозга, возникающей даже при отсутствии стимулов.


Альфредо Фонтанини и Жанкарло ла Камера

В последние несколько десятилетий росла убеждённость в том, что большая часть активности сенсорных сетей генерируется внутри, а не вызывается внешними стимулами. Если сравнить активность зрительной коры животного в полной темноте с её активностью, когда животное осматривается, сложно будет найти в них отличия. Даже в отсутствии света наборы нейронов зрительной коры начинают активизироваться совместно, одновременно или же с предсказуемой периодичностью. Это взаимосвязанное срабатывание находится в т.н. метастабильном состоянии от нескольких сотен миллисекунд до нескольких секунд, а потом конфигурация активности меняется на другую. Метастабильность, или тенденция к тому, чтобы прыгать от одного мимолётного состояния к другому, продолжается после появления стимула, однако некоторые состояния часто проявляются чаще в связи с конкретным стимулом, и, следовательно, считаются «кодирующими состояниями».

Ла Камера и другие (в т.ч. и Кац) уже моделировали метастабильность, создавая то, что называется кластеризованной сетью. Внутри неё группы возбуждающих нейронов тесно связаны друг с другом, а тормозящие нейроны случайным образом соединены с возбуждающими, что оказывает широкий приглушающий эффект на всю систему. «Такая кластеризованная архитектура фундаментально важна для создания метастабильности», — сказал Фонтанини.

Фонтанини, ла Камера и их коллега, постдок Лука Маццукато (теперь работающий в Орегонском университете) обнаружили, что та же структура сети необходима и для воссоздания эффекта ожидания. В метастабильной модели кластеризованной архитектуры исследователи провели симуляцию предупреждающей подсказки, за которой следует определённый вкусовой стимул. В итоге они успешно воспроизвели схему ускоренного кодирования, которую Фонтанини наблюдал у крыс в 2012-м: переходы из одного метастабильного состояния в другое ускорялись, что давало системе возможность быстрее переходить в кодирующие состояния. Результаты работы показывают, что просто создав сеть для демонстрации метастабильных схем активности, «можно охватить множество нейрологических откликов при стимуляции вкусовых ощущений», — сказал Фонтанини.

Когда исследователи попытались смоделировать предупреждающие подсказки и стимулы в сети, не имеющей кластеризованных нейронов, им не удалось повторить результаты 2012 года. Поэтому «этот эффект возможен только в сетях определённого типа», сказал Кац.

Менее напряжённая прогулка


Открытие показалось примечательным, во-первых, поскольку дало идеи о том, какую архитектуру следует искать в реальной вкусовой коре – и, возможно, в других частях коры, отвечающей за органы чувств. Пока что нейробиологи спорят о том, как обрабатывается вкус: некоторые говорят, что одни определённые нейроны могут кодировать «сладкое», а другие «солёное», создавая характерные неврологические отклики для определённых вкусов. Другие связывают его с более широкими схемами активности; большинство нейронов реагирует на большинство вкусов, и получившаяся неврологическая схема грубо соответствует одному или другому вкусу. Работа Фонтанини и коллег поддерживает последнюю теорию, предсказывая, как именно должна выглядеть эта структура. Уже только одни скопления «обрисовывают множество свойств вкусовой коры, — сказал Фонтанини, — спонтанную активность, последовательность отзывов на вкус, эффект ожидания». Он надеется продолжать раскапывать историю формирования этих скоплений, и то, на какие иные виды нервной активности они влияют.

Также работа обрисовывает нейронное основание для ожиданий в мозге. Предупреждающая подсказка не просто возбуждает определённые нейроны или вызывает некий набор состояний, который затем кодирует стимул. Вместо этого ожидание изменяет динамику – конкретно, скорость переключения – всей системы.

Фонтанини и ла Камера сравнивают эту динамику с шаром, движущимся по ландшафту, заполненному траншеями. Эти углубления обозначают состояния реакции, а ожидание наклоняет ландшафт так, что шар быстрее падает в первую траншею. Также оно сглаживает холмистую местность, по которой шару нужно переходить от одного состояния к другому, облегчая этот переход и препятствия застревание.

То есть, ожидание делает сеть не такой прилипчивой. Оно позволяет совершить более лёгкую прогулку по направлению к состояниям, реально кодирующим вкус, но не даёт такой стабильности, чтобы система застряла в одном состоянии. Эта проблема часто преследует подобные кластеризованные сети: из-за этой группировки некоторые «траншеи» оказываются слишком глубокими, и система усиливает неверную информацию. Но эти открытия говорят, что для решения этой проблемы «сложная система вам не нужна», сказал Георг Келлер, нейробиолог, изучающий работу зрения в институте биомедицинских исследований им. Фридриха Мишера в Швейцарии.

Фонтанини и ла Камера надеются, что подобный механизм сможет объяснить работу других процессов, выводящих контекст за пределы ожиданий, например, внимания и обучения. Но, возможно, «наиболее важным последствием нашей работы будет перенос внимания со статической реакции нейронов, кодирующих те или иные реакции, на их динамическое поведение», — сказал ла Камера.

И хотя подход к изучению нейробиологии через динамические системы нельзя назвать новым, его было сложно испытывать и моделировать. Эксперты обычно склоняются к иерархической структуре представления чувственного восприятия: кора наращивает и интегрирует особенности для формирования восприятий, отправляя сигналы в другие слои сети, интегрирующие ещё большее количество информации, пока мозг не приходит к решению или не выбирает поведение.

Но в данной работе всё не так. Результаты команды говорят в пользу другой идеи обработки сигналов, в которой «всё происходит одновременно, ещё до того, как прибудет сигнал о стимуле, — сказал Лесли Кэй, нейробиолог из Чикагского университета, занимающийся обонянием. – Выученная информация оказывается в области коры, формирует систему связанных между собой групп нейронов, обозначающих эту информацию, а потом вы влияете на неё при помощи ожиданий, в результате чего проявляется то, что эта система знает».

Внезапный порыв


Из модели следует, что процесс принятия решений не является плавным построением на основе полученной информации, а чем-то вроде последовательности озарений, прыжком нейронных флуктуаций. Кац использовал ту же модель, что и Фонтанини с ла Камера для поддержки идеи о том, что принятие решения «происходит во внезапном порыве».

Связь между этими «совершенно разными углами области вкуса» – работы Фонтанини над обработкой ощущений от органов чувств и его исследованием их дальнейшей обработки – оставляет Каца в состоянии «радостного предвкушения».

Она также подчёркивает необходимость отойти от концентрации на отдельных нейронах, реагирующих на определённые подсказки, и двигаться в сторону внутренних состояний и динамики для лучшего понимания работы сенсорных сетей – даже в случае самых базовых сенсорных стимулов. «Гораздо проще сказать, что нейрон увеличивает количество активаций», — сказал Анан Моран, нейробиолог из Тель-Авивского университета в Израиле. Но чтобы понять, как работают организмы, «нельзя учитывать только стимул, нужно считаться и с внутренним состоянием, — добавил он. – А это значит, что наше предыдущее представление о механизме, используемом мозгом для реализации ощущений, действий и так далее, необходимо пересмотреть».

«Большая часть происходящего во вкусовой коре перед тем, как стимул её достигает, связана с его обработкой по приходу», — сказал Кац. В данном случае изучение того, как эти внутренние состояния изменяются под влиянием опыта или подсказки, открыло нам новую информацию о связности сети.

Теперь, сказал Моран, такая контекстная зависимость должна подвергнуться другим исследованиям восприятия и мышления. «Последний рубеж – это зрительная система. Подобная работа может поведать нам что-то интересное об обработке зрительной информации».

«У нас пока что нет хорошей, единой модели, объединяющей всю эту активность», — добавил он. Но это является «хорошей отправной точкой».
Реклама
AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

Подробнее

Комментарии 30

    –2
    У этого явления вроде давно есть название – эффект плацебо, нет?
      +1
      Эффект плацебо проявляется ПОСЛЕ восприятия. Мне так кажется
        0
        Представьте, что вы взяли стакан, и думаете что внутри – яблочный сок, а потом, пригубив, обнаруживаете, что это имбирный эль. Даже если вы обычно любите содовую, на этот раз вкус кажется вам противным.

        Уверяю Вас, что, когда вы хотите выпить из стакана с яблочным соком, Вы его воспринимаете заранее
          +1
          Может просто расхождение ожидания с реальностью = негативная эмоция?
          Как сейчас помню (случай из детства) — беру стакан, думая что это кофе с молоком, делаю глоток… а там какао! Как я был разочарован! Хотя в общем не имею ничего против какао.
        0

        По описанию на плацебо совсем не похоже. Что тут общего по-вашему?

          0
          Как по мне, статья была всё же о способности мозга нас обманывать и всё перекручивать, а «прорывная» информация о том, что возбуждённая кора быстрее реагирует – действительно прорывна.
            0

            Вас — это кого? Есть какой-то "вы", который не мозг?


            Я так понял, что есть участки, которые придумывают информацию о вкусе на основании других данных. Отсюда и "более быстрое" восприятие. Оно на основе предполагаемых данных.


            А если вдруг придуманный вкус и реальный не сошлись, на это происходит негативная реакция.

              0

              Скорее просто стрессовая, неожиданности бывают приятными :)

                0
                это довольно хорошо согласуется с концепцией байесовского мозга.
                  0
                  Cache miss. Вся статья про это видимо?
                  image

                  В мозге тоже происходит нечто на 1000000 тактов?
              +11

              Предсказатель переходов

                0
                Точно, это же он!
                  +4
                  Получается мы тоже подверженны уязвимостям meltdown и spectre.
                    0
                    Не подвержены, у нас мозг однозадачный, защищенного режима работы приложений нету.
                    Там то суть бага — обход защищенного режима, чтоб один процесс мог получить данные из другого процесса.
                      +4

                      Почемк однозадачныц. Мне кажется там много параллельных процессов на уровне ядра бежит. А юзерспейсу возмодно да доступен один поток.

                        0
                        С определенной точки зрения, да, согласен, однозадачно только сознание.

                        А вообще конечно там другая архитектура, ядра нет вообще.
                        Куча нейросеток которые там заменяют и память и процессор.
                          0
                          Кто-то должен был запостить эту картинку сюда
                          image
                        0
                        у нас мозг однозадачный, защищенного режима работы приложений нету

                        Билли Миллиган мог бы с вами поспорить.
                          0
                          Так у шизофреников разные личности же исполняются последовательно.
                          На этом и строилась его защита в суде «это не он а другая его личность»
                        0

                        Да и row hammering тоже никто не отменял.
                        Психотерапевты не зря свой хлеб едят.

                    0
                    Плацебо это когда чувствуешь на себе влияние которое объект неспособен дать, например улучшение состояния здоровья вследствие приема пустой таблетки. Здесь похоже на предположение влияния которое объект возможно может дать на основе прошлого опыта.
                    0

                    Ну т.е. если я иду в темном переулке и ожидаю нападения гопников, то мне кругом мерещатся силуэты людей. Как-то так?

                      +2
                      Мерещится тоже будут как ложно положительные срабатывания, но и реальных гопников вы быстрее заметите, чем если бы шли изучая архитектурные стили окружающих зданий.
                      0
                      Вообще, это известная специалистам корреляционная обработка сигнала.
                      У меня есть изобретение на эту тему: «Способ приема информации и устройство для его осуществления». А.с. 1182562 от 1 июня 1985г.
                      ЦУП. Испытание устройства в составе комплекса.
                      Способ заключается в дифференциальной корреляционной обработке сигнала.
                      Как показали испытания в спутниковой системе связи, после «ухода» спутника за радиогоризонт, телеметрическая информация продолжает приниматься данным устройством в течении 5-15 минут с постепенным падением достоверности и с индикацией степени достоверности принимаемого сигнала, в то время как обычные системы просто перестают вообще принимать. Нет никаких препятствий для применения данного способа в отношении других видов модуляций. Например в сотовых или спутниковых информационных системах. «Изюминка» заключается в алгоритме обработки принятого сигнала.

                      Когда после очередного падения ракеты, по причине плохой телеметрии, я написал министру о «не внедрении полезного изобретения», то получил ответ из Роскосмоса — «Ваше изобретение не может быть внедрено, так как нам непонятен принцип его работы».
                      Дожили, инженеры уже не знают что такое корреляционная обработка сигнала.
                        0
                        Их демка кластеризованной сети: github.com/mazzulab/expectation-spiking-net

                        И статья: www.mazzulab.com/uploads/9/7/3/0/97304440/mazzucato_2019.pdf
                        из РФ качается только через VPN (с Европы).

                        Кстати, эта статья перекликается с предыдущей: habr.com/ru/post/455828
                        А кластеры — это коги Анохина.

                        Если собрать выводы из разных сходящихся исследований, получаем: мозг — это иерархический гиперграф на базе осцилляторной химерной кластеризованной сети.
                          0
                          Напомнило архитектуру EPIc в Itanium’ах
                            0
                            Когда я в первый раз в жизни попробовал суши — мне они показались совсем невкусными — и что люди в них находят? Но попробовав второй, третий раз — полюбил.
                            Я всё ломал голову: как так получилось, теперь знаю ответ.
                              0
                              ожидание не того стимула приводит к удивлению и отрицательной реакции
                              Естественно, нарушенные ожидания требуют корректировок в механизме прогнозов, но относится ли это непосредственно к механизмам восприятия?
                              в целом ожидание вкуса заставляло нейроны вкусовой коры распознавать стимул почти в два раза быстрее
                              Разницу в 80мс можно объяснить фокусировкой внимания, которое отвечает не столько за восприятие, сколько за обработку получаемой информации.
                              Именно разница в направленности внимания проявляется в значительности влияния механизма прогнозов — если внимание направлено на поток входящей информации, то изменения замечаются сразу, если же внимание направлено на что-то другое, то изменения замечаются только при значительном отклонении от ожидаемого.
                              Вкус, наименее изученное ощущение, был идеальной отправной точкой. После того, как вкус появляется на языке, проходит несколько сотен миллисекунд до того, как активность вкусовой коры начинает отражать входные данные.
                              С одной стороны, восприятие вкуса лучше зрения при учете легкости измерения задержек. С другой же стороны, вкус — не самостоятельное или чистое чувство, вкус слишком тесно завязан на обоняние, осязание и привычки, поэтому я бы не называл его идеальным кандидатом для изучения.
                                0
                                Я и томатный сок! ))) Ну не понимает мой организм как сок может быть солёным!
                                А вот помидоры и кетчуп — вполне нормально употребляю. Ведь это еда! )))
                                  0

                                  Сорри за офтоп, зацепился за слово "содовая". Думаю, лучше это переводить как "газировка".


                                  Хотя в конце 80-х в СССР, если не изменяет память, продавалась вода "Содовая" со вкусом, отличным от обычной минералки.

                                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                  Самое читаемое