Οι εισερχόμενες πληροφορίες από τον αμφιβληστροειδή διοχετεύονται σε δύο οδούς στο οπτικό σύστημα του εγκεφάλου: μία που είναι υπεύθυνη για την επεξεργασία χρώματος και λεπτών χωρικών λεπτομερειών, και μια άλλη που εμπλέκεται στον χωρικό εντοπισμό και την ανίχνευση υψηλών χρονικών συχνοτήτων. Μια νέα μελέτη από το MIT παρέχει μια εξήγηση για το πώς αυτές οι δύο οδοί μπορούν να διαμορφωθούν από αναπτυξιακούς παράγοντες.
Τα νεογέννητα συνήθως έχουν κακή οπτική οξύτητα και κακή όραση χρωμάτων, επειδή τα κωνικά κύτταρα του αμφιβληστροειδούς τους δεν είναι καλά ανεπτυγμένα κατά τη γέννηση. Αυτό σημαίνει ότι νωρίς στη ζωή, βλέπουν θολές, μειωμένες στο χρώμα εικόνες. Η ομάδα του MIT προτείνει ότι μια τέτοια θολή, περιορισμένη στο χρώμα όραση μπορεί να οδηγήσει σε ορισμένα εγκεφαλικά κύτταρα που ειδικεύονται σε χαμηλές χωρικές συχνότητες και χαμηλό συντονισμό χρωμάτων, που αντιστοιχεί στο λεγόμενο μεγαλοκυτταρικό σύστημα. Αργότερα, με βελτιωμένη όραση, τα κύτταρα μπορεί να συντονίζονται σε λεπτότερες λεπτομέρειες και πλουσιότερο χρώμα, σύμφωνα με την άλλη οδό, γνωστή ως παρβοκυτταρικό σύστημα.
Για να δοκιμάσουν την υπόθεσή τους, οι ερευνητές εκπαίδευσαν υπολογιστικά μοντέλα όρασης σε μια τροχιά εισόδου παρόμοια με αυτή που λαμβάνουν τα ανθρώπινα μωρά νωρίς στη ζωή – εικόνες χαμηλής ποιότητας νωρίς, ακολουθούμενες από εικόνες πλήρους χρώματος, πιο ευκρινείς αργότερα. Διαπίστωσαν ότι αυτά τα μοντέλα ανέπτυξαν μονάδες επεξεργασίας με δεκτικά πεδία που παρουσίαζαν κάποια ομοιότητα με τη διαίρεση των μεγαλοκυτταρικών και παρβοκυτταρικών οδών στο ανθρώπινο οπτικό σύστημα. Τα μοντέλα όρασης που εκπαιδεύτηκαν μόνο σε εικόνες υψηλής ποιότητας δεν ανέπτυξαν τόσο ξεχωριστά χαρακτηριστικά.
«Τα ευρήματα υποδηλώνουν ενδεχομένως μια μηχανιστική εξήγηση της εμφάνισης της διάκρισης παρβο/μαγνο, η οποία είναι μία από τις βασικές οργανωτικές αρχές της οπτικής οδού στον εγκέφαλο των θηλαστικών», λέει ο Pawan Sinha, καθηγητής εγκεφάλου και γνωστικών επιστημών στο MIT και κύριος συγγραφέας της μελέτης. Οι μεταδιδάκτορες του MIT Marin Vogelsang και Lukas Vogelsang είναι οι κύριοι συγγραφείς της μελέτης, η οποία δημοσιεύεται σήμερα στο περιοδικό Communications Biology. Ο Sidney Diamond, ερευνητικός συνεργάτης του MIT, και ο Gordon Pipa, καθηγητής νευροπληροφορικής στο Πανεπιστήμιο του Osnabrueck, είναι επίσης συγγραφείς της εργασίας.
Αισθητηριακή εισροή
Η ιδέα ότι η οπτική εισροή χαμηλής ποιότητας μπορεί να είναι ευεργετική για την ανάπτυξη προέκυψε από μελέτες παιδιών που γεννήθηκαν τυφλά αλλά αργότερα αποκατέστησαν την όρασή τους. Μια προσπάθεια του εργαστηρίου του Sinha, Project Prakash, έχει εξετάσει και θεραπεύσει χιλιάδες παιδιά στην Ινδία, όπου οι αναστρέψιμες μορφές απώλειας όρασης, όπως ο καταρράκτης, είναι σχετικά συχνές. Μετά την αποκατάσταση της όρασής τους, πολλά από αυτά τα παιδιά συμμετέχουν εθελοντικά σε μελέτες στις οποίες ο Sinha και οι συνάδελφοί του παρακολουθούν την οπτική τους ανάπτυξη.
Σε μία από αυτές τις μελέτες, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα παιδιά που είχαν υποβληθεί σε αφαίρεση καταρράκτη παρουσίασαν σημαντική μείωση στην απόδοση αναγνώρισης αντικειμένων όταν τους παρουσιάστηκαν ασπρόμαυρες εικόνες, σε σύγκριση με τις έγχρωμες. Αυτά τα ευρήματα οδήγησαν τους ερευνητές στην υπόθεση ότι η μειωμένη εισαγωγή χρώματος, η οποία είναι χαρακτηριστική της πρώιμης τυπικής ανάπτυξης, όχι μόνο δεν αποτελεί εμπόδιο, αλλά επιτρέπει στον εγκέφαλο να μάθει να αναγνωρίζει αντικείμενα ακόμη και σε εικόνες που έχουν υποβαθμισμένα ή μετατοπισμένα χρώματα.
«Η άρνηση πρόσβασης σε πλούσιο χρώμα στην αρχή φαίνεται να είναι μια ισχυρή στρατηγική για την ενίσχυση της ανθεκτικότητας στις αλλαγές χρώματος και την ενίσχυση της αντοχής του συστήματος στην απώλεια χρώματος στις εικόνες», λέει ο Sinha. Σε αυτήν τη μελέτη, οι ερευνητές διαπίστωσαν επίσης ότι όταν τα υπολογιστικά μοντέλα όρασης αρχικά εκπαιδεύτηκαν σε εικόνες κλίμακας του γκρι και στη συνέχεια σε έγχρωμες εικόνες, η ικανότητά τους να αναγνωρίζουν αντικείμενα ήταν πιο ισχυρή από αυτή των μοντέλων που εκπαιδεύτηκαν μόνο σε έγχρωμες εικόνες.
Ομοίως, μια άλλη μελέτη από το εργαστήριο διαπίστωσε ότι τα μοντέλα είχαν καλύτερη απόδοση όταν εκπαιδεύτηκαν πρώτα σε θολές εικόνες και στη συνέχεια σε πιο ευκρινείς εικόνες. Για να βασιστούν σε αυτά τα ευρήματα, η ομάδα του MIT ήθελε να διερευνήσει ποιες θα μπορούσαν να είναι οι συνέπειες του περιορισμού και των δύο αυτών χαρακτηριστικών – χρώματος και οπτικής οξύτητας – στην αρχή της ανάπτυξης. Υπέθεσαν ότι αυτοί οι περιορισμοί θα μπορούσαν να συμβάλουν στην ανάπτυξη των μεγαλοκυτταρικών και παρβοκυτταρικών οδών.
Εκτός από το ότι είναι ιδιαίτερα συντονισμένα με το χρώμα, τα κύτταρα στην παρβοκυτταρική οδό έχουν μικρά δεκτικά πεδία, που σημαίνει ότι λαμβάνουν δεδομένα από πιο συμπαγείς συστάδες γαγγλιακών κυττάρων του αμφιβληστροειδούς. Αυτό τα βοηθά να επεξεργάζονται λεπτομέρειες. Τα κύτταρα στην μεγαλοκυτταρική οδό συγκεντρώνουν πληροφορίες σε μεγαλύτερες περιοχές, επιτρέποντάς τους να επεξεργάζονται περισσότερες παγκόσμιες χωρικές πληροφορίες. Για να ελέγξουν την υπόθεσή τους ότι οι αναπτυξιακές εξελίξεις θα μπορούσαν να συμβάλουν στην επιλεκτικότητα των μεγαλοκυτταρικών και παρβοκυτταρικών κυττάρων, οι ερευνητές εκπαίδευσαν μοντέλα σε δύο διαφορετικά σύνολα εικόνων.
Στο ένα μοντέλο παρουσιάστηκε ένα τυπικό σύνολο δεδομένων εικόνων που χρησιμοποιούνται για την εκπαίδευση μοντέλων για την κατηγοριοποίηση αντικειμένων. Το άλλο σύνολο δεδομένων σχεδιάστηκε για να μιμείται κατά προσέγγιση την είσοδο που λαμβάνει το ανθρώπινο οπτικό σύστημα από τη γέννηση. Αυτά τα «βιομιμητικά» δεδομένα αποτελούνται από εικόνες χαμηλής ανάλυσης, σε κλίμακα του γκρι στο πρώτο μισό της εκπαίδευσης, ακολουθούμενες από εικόνες υψηλής ανάλυσης, πολύχρωμες εικόνες.
Βρείτε μας στο Google News. Πατήστε εδώ!