Нейронная сеть и зрительный поиск

Экспериментальные данные показывают, что в работе мозга существенную роль играет динамика электрической активности различных нейронных структур и их взаимодействие в процессе решения задач. Нейробиологи проявляют большой интерес к математическим моделям нейронной динамики, ожидая от них новых идей в объяснении механизмов памяти, внимания, распознавания и так далее. Построенная сотрудниками лаборатории нейронных сетей Института математических проблем биологии РАН модель осцилляторной нейронной сети дает понимание, как в мозге происходит одно из типичных когнитивных действий – процесс зрительного поиска и нахождения искомого объекта. Результат опубликован в журнале Neural Networks, кратко о ней рассказывает пресс-релиз института.

Модель предназначена для объяснения результатов психофизических экспериментов, связанных со зрительным поиском. Заведующий лабораторией нейронных сетей ИМПБ РАН Яков Казанович, прокомментировал полученный результат: «С помощью компьютерных вычислений было показано, что наша модель может воспроизводить данные о времени поиска для задач различной степени сложности, при этом имеет место линейная зависимость времени поиска от числа объектов на изображении, наблюдаемая в экспериментах».

Что известно из экспериментов?

В электрической активности мозга присутствуют разнообразные ритмические компоненты, в той или иной мере проявляющиеся в различных частотных диапазонах. При этом характер колебаний коррелирует с внешними воздействиями и психологическим состоянием исследуемого организма. Устойчивые паттерны ритмической активности были обнаружены в различных структурах мозга на уровне отдельных нейронов, нейронных популяций и структур мозга. Такие экспериментальные данные получены в первичных зонах зрительной и обонятельной коры, сенсомоторной коре, в таламусе, в гиппокампе и в других структурах.

Какова роль колебаний в обработке информации в мозге?

На этот вопрос пока нет определенного ответа. Одна из точек зрения состоит в том, что никакой специальной роли в обработке информации колебательная активность не играет. Она есть всего лишь следствие циклически протекающих процессов в мозге, связанных, например, с циркуляцией информации по кольцевым траекториям. Однако накапливающиеся экспериментальные и модельные данные дают все больше убедительных свидетельств того, что в основе механизмов когнитивных процессов лежит колебательная активность и ее синхронизация в различных структурах мозга. В связи с этим очень ценны математические модели, в которых показано, как экспериментальные данные могут быть объяснены исходя из осцилляторных принципов обработки информации.

Что такое зрительный поиск?

В экспериментах по зрительному поиску испытуемому предъявляется изображение на компьютерном дисплее, содержащее некоторое число объектов. Задача испытуемого состоит в том, чтобы определить, есть ли на изображении так называемый целевой объект, т.е. объект обладающий заранее заданными признаками. Например, в качестве изображения может использоваться набор букв T и L красного и зеленого цвета в разной ориентации, а целевым объектом является буква T красного цвета. При обнаружении целевого объекта испытуемый нажимает определенную клавишу на клавиатуре, а при отсутствии целевого объекта – другую клавишу. Экспериментаторы измеряют время реакции и изучают, как это время зависит от числа объектов на изображении и от степени заметности целевого объекта на фоне других объектов. Эксперименты показывают, что зависимость времени реакции от числа объектов имеет линейный характер, а трудность задачи зрительного поиска отражается в угле наклона линии по отношению к горизонтальной оси: чем труднее задача, тем больше угол наклона.

Что было известно?

Одна из правдоподобных моделей, позволяющих объяснить экспериментальные данные – это модель Управляемого Поиска (Guided Search), разработанная американским ученым Джереми Вольфом. Согласно этой модели процесс поиска идет путем случайного выбора на изображении одного из объектов в фокус внимания. После этого проверяется, является ли выбранный объект целевым. Если является, поиск заканчивается, если нет – выбирается новый объект и так до тех пор, пока либо не будет найден целевой объект, либо закончится отведенное на поиск время. Вероятность выбора целевого объекта в фокус внимания тем выше, чем он заметнее на фоне других объектов. Модель Вольфа чисто стохастическая. Она не объясняет нейронные механизмы, реализующие выбор объекта.

Каковы принципы функционирования модели?

В основе предложенной модели лежат два принципа. Во-первых, предполагается, что в системе внимания есть центральный управляющий элемент (ЦУЭ), который организует обработку зрительной информации, поступающей в первичные и последующие зоны зрительной коры подобно тому, как дирижер управляет игрой оркестра. Во-вторых, предположено, что включение в фокус внимания реализуется путем синхронизации активности ЦУЭ с активностью нейронного ансамбля, кодирующего определенный объект.

Как устроена модель?

Модель представляет собой нейронную сеть, элементами которой являются осцилляторы, представляющие сравнительно большие нейронные ансамбли. Один из осцилляторов играет роль ЦУЭ, а другие осцилляторы, называемые периферическими, представляют различные зрительные объекты. Периферические осцилляторы взаимодействуют с ЦУЭ с помощью прямых и обратных связей. Взаимодействие организовано таким образом, что периферические осцилляторы конкурируют за синхронизацию с ЦУЭ. Победитель этой конкуренции – это и есть нейронный представитель зрительного объекта, который в данный момент включен в фокус внимания. В терминах модели целевой объект отличается от других объектов тем, что соответствующий ему периферический осциллятор оказывает большее синхронизующее влияние на ЦУЭ и таким образом имеет большую вероятность быть включенным в фокус внимания.

Каковы результаты моделирования?

С помощью компьютерных вычислений было показано, что модель может воспроизводить данные о времени поиска для задач различной степени сложности, при этом имеет место линейная зависимость времени поиска от числа объектов на изображении, наблюдаемая в экспериментах.

В чем значимость полученных результатов?

Разработанная модель предлагает простое и неожиданное объяснение для весьма сложного когнитивного процесса. В данное время нет прямых экспериментальных данных, показывающих, что колебательная активность и ее синхронизация имеют отношение к решению задачи зрительного поиска, хотя связь внимания с синхронизацией активности различных нейронных структур продемонстрирована в значительном числе экспериментов. Модель демонстрирует, что осцилляторные процессы и различные режимы синхронизации обладают большими потенциальными возможностями по обработке информации. Это должно стимулировать нейробиологов в дальнейшем поиске экспериментальных подтверждений участия осцилляторных процессов в реализации когнитивных функций.

Источник: polit.ru

Комментарии: