Ulazne informacije sa mrežnjače oka kanališu se u dva puta u vizuelnom sistemu mozga: jedan je odgovoran za obradu boja i finih prostornih detalja, dok je drugi uključen u prostornu lokalizaciju i otkrivanje visokih vremenskih frekvencija. Nova studija sa MIT-a nudi objašnjenje kako ova dva puta mogu biti oblikovana tokom razvoja.
Zamućena vizija novorođenčadi kao prednost?
Bebe obično imaju slabu oštrinu vida i lošu sposobnost razlikovanja boja jer njihove čepićaste ćelije na mrežnjači nisu u potpunosti razvijene. To znači da u najranijem periodu života vide mutne i bojom osiromašene slike.
Istraživači sa MIT-a predlažu da upravo takva zamućena vizija dovodi do toga da se određene moždane ćelije specijalizuju za obradu niskih prostornih frekvencija i slabo izraženih boja, što odgovara takozvanom magnocelularnom sistemu.
Kasnije, sa poboljšanim vidom, druge ćelije se prilagođavaju obradi finijih detalja i bogatijih boja, što odgovara parvocelularnom sistemu.
Modeli veštačke inteligencije imitiraju razvoj ljudskog vida
Da bi testirali ovu hipotezu, istraživači su obučili računarske modele vida na ulaze slične onima koje dobijaju ljudske bebe — najpre slike niskog kvaliteta, a zatim oštrije i pune boja.
Ovi modeli su razvili procesne jedinice sa receptivnim poljima sličnim podeli magnocelularnih i parvocelularnih puteva u ljudskom vizuelnom sistemu. Modeli koji su od početka trenirani samo na slikama visokog kvaliteta nisu pokazali ovakve karakteristike.
„Ova saznanja potencijalno pružaju mehanističko objašnjenje nastanka parvo/magno podele, što je jedan od ključnih principa organizacije vizuelnog puta kod sisara“, kaže profesor Pavan Sinha, vodeći autor studije.
Projekat Prakaš i uvidi iz prakse
Ideja da ulazne senzorne informacije niskog kvaliteta mogu biti korisne za razvoj proizašla je iz proučavanja dece koja su rođena slepa, ali su kasnije dobila vid.
Projekat „Prakaš“, koji vodi Sinhova laboratorija, pregledao je i lečio hiljade dece u Indiji, gde su reverzibilni oblici gubitka vida poput katarakte relativno česti. Nakon obnavljanja vida, mnoga deca učestvuju u studijama u kojima se prati njihov vizuelni razvoj.
U jednoj takvoj studiji, utvrđeno je da su deca koja su imala operaciju katarakte znatno lošije raspoznavala objekte na crno-belim slikama nego na onim u boji. To je istraživače navelo da hipotetišu kako je rano odsustvo boja, umesto da bude hendikep, zapravo strategija koja omogućava mozgu da postane robustan i otporan na gubitak boja u kasnijem životu.
Crno-bele i zamućene slike kao prednost u obuci veštačke inteligencije
Kada su modeli računarskog vida bili prvo obučeni na sivim slikama, pa tek onda na slikama u boji, postali su znatno bolji u prepoznavanju objekata nego modeli obučeni isključivo na slikama u boji.
Slično tome, drugi eksperimenti su pokazali da modeli bolje funkcionišu kada se prvo obuče na zamućenim slikama, pa tek onda na oštrijim.
MIT tim je želeo da istraži šta se dešava kada su i boja i oštrina ograničeni u najranijoj fazi razvoja, i kako to utiče na formiranje magno i parvo ćelija.
Biomimetički podaci otkrivaju razvojnu logiku mozga
Parvoćelije imaju mala receptivna polja, što im omogućava da obrađuju fine detalje, dok magnoćelije prikupljaju informacije sa šireg područja mrežnjače i tako bolje detektuju globalne prostorne karakteristike.
Istraživači su obučili dva modela: jedan na standardnom skupu slika, a drugi na „biomimetičkom“ skupu, koji oponaša razvoj vida kod ljudi — sive, niske rezolucije u prvoj polovini treninga, a oštre i šarene slike u drugoj polovini.
Rezultati su pokazali da su modeli obučeni na biomimetičkim podacima razvili grupe jedinica koje su reagovale na nisku boju i niske prostorne frekvencije, što liči na magnocelularni sistem.
Pored toga, razvili su i različite parvoćelije osetljive na fine detalje i boje — podela koja se nije javila kod modela obučenih isključivo na visokokvalitetnim slikama.
Strategije prepoznavanja objekata i uloga magno sistema
U daljim eksperimentima, istraživači su testirali kako modeli klasifikuju objekte kada oblik i tekstura nisu usklađeni — na primer, životinja u obliku mačke, ali teksture slona. Modeli obučeni na biomimetičkim podacima koristili su oblik kao primarni vodič, kao što to čine i ljudi. Kada su istraživači uklonili jedinice s magnocelularnim osobinama, model je brzo izgubio tu sposobnost.
Vreme, pokret i magnoćelije u video okruženju
U dodatnim eksperimentima modeli su obučeni na video materijalu, što dodaje vremensku dimenziju. Magnocelularni put reaguje na visoke vremenske frekvencije i omogućava brzo uočavanje pokreta. Jedinice koje su pokazale najveću osetljivost na promene u vremenu bile su upravo one koje su prethodno identifikovane kao magnoćelije u prostornom domenu.
Razvoj kao ključ za organizaciju mozga
Ovi rezultati podržavaju ideju da senzorni ulazi niskog kvaliteta u ranom životu mogu uticati na organizaciju senzorskih puteva u mozgu. Iako ne isključuju mogućnost urođene podele na magno i parvo sisteme, rezultati daju dokaz da i vizuelno iskustvo ima značajnu ulogu u razvoju mozga.
„Opšta tema koja se pojavljuje jeste da je naš razvoj pažljivo strukturiran tako da nam obezbedi određene perceptivne sposobnosti — i da taj proces utiče i na samu organizaciju mozga“, zaključuje profesor Sinha.
