是什麼讓你的大腦全神貫注於你所看到的一切?

是什麼讓你的大腦全神貫注於你所看到的一切?

想像一下,在非洲大草原上漫步。 突然你注意到一個移動的灌木叢部分遮擋了一個大的黃色物體。 根據這些有限的信息,您需要弄清楚您是否處於危險之中並決定如何應對。 它是一堆乾草嗎? 還是飢餓的獅子?

在這種情況下,我們的大腦必須使用複雜且不確定的視覺信息來製定瞬間決策。 根據我們所看到的情況做出的推論和後續決定可能是對威脅做出適當回應和成為獅子下一餐之間的區別。

傳統上,神經科學家已經將視覺信息處理視為一個接一個發生的事件鏈,過濾了在空間和時間上變化的輸入信號(來自眼睛)。 但最近,我們開始認為這個過程更具動態性和互動性。 當視覺系統試圖解決其收到的感官信息的不確定性時,它使用先驗知識和當前證據來對正在發生的事情做出有根據的猜測。

視覺系統:遠遠超過眼睛

對於我們如何看待周圍發生的事情,眼睛當然至關重要。 但是,大量深入研究的人類視覺系統存在於大腦內部。

眼睛後方的視網膜含有光感受器,可以感知並響應環境中的光線。 反過來,這些光感受器激活神經元,這些神經元將信息傳遞到位於腦後部的大腦視覺皮層。 視覺皮層然後處理原始數據,以便我們可以根據眼睛的原始輸入做出關於如何響應和適當行為的決定。

視覺皮層以解剖學和功能層次結構組織。 每個階段都與其他階段不同,無論是微觀解剖學還是其功能角色和生理學 - 即神經元如何對不同的刺激做出反應。

傳統上,研究人員認為這種層次結構是逐步地,從下到上依次過濾信息。 他們相信視覺大腦的每個處理級別向上傳遞從較低級別接收的視覺信號的更精細形式。 例如,在層次結構的一個階段,從場景中提取高對比度邊緣,以便稍後形成形狀和對象的邊界。


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原始思維認為,最終,視覺皮層的最高層將在其神經元活動模式中包含一個有意義的世界表示,然後我們可以對其進行操作。 但神經科學最近的一些發展已經將這種觀點轉變為頭腦。

世界 - 以及視覺環境 - 時時刻刻都是高度不確定的。 而且,我們知道 來自許多研究 視覺大腦的能力受到驚人的限制。 大腦依賴於諸如此類的過程 視覺注意力和視覺記憶 幫助它有效地利用這些有限的資源。

那麼大腦究竟如何在信息量有限的高度不確定的環境中有效導航呢? 答案是,它有可能發揮作用和賭博。

抓住機會進行最佳猜測

大腦需要使用模糊和可變信息的有限輸入來對周圍環境中發生的事情做出明智的猜測。 如果這些猜測是準確的,它們可以成為良好決策的基礎。

為了做到這一點,大腦基本上賭博它擁有的信息子集。 基於一小部分感官信息,它會對世界所說的內容進行投注,以便在行為上獲得最佳回報。

考慮一下大草原中移動灌木叢的例子。 你會看到一個模糊的大黃色物體被灌木遮擋。 這個物體是否導致灌木移動? 什麼是黃色斑點? 這是一種威脅嗎?

這些問題與我們在行為方面的選擇有關。 有效地使用有限的視覺信息(移動灌木叢,大黃色物體)在行為上很重要。 如果我們推斷黃色物體確實是獅子或其他捕食者,我們可能會決定朝相反的方向快速移動。

推理可以定義為基於證據和推理的結論。 在這種情況下,推斷(這是一隻獅子)是基於證據(大黃色物體,​​移動灌木)和推理(獅子很大並存在於稀樹草原中)。 神經科學家會想到 概率推理作為計算 涉及先驗信息和現有證據的結合。

雙向大腦連接

過去二十年的神經解剖學和神經生理學證據表明,視覺皮層的層次結構包含大量的連接 從低到高,從高到低 在每個級別。 而不是信息通過倒置的漏斗,隨著越來越高的精細化,似乎視覺系統更像是一個交互式層次結構。 它顯然通過不斷的反饋和前饋循環來解決世界固有的不確定性。 這允許 的組合 自下而上 目前的證據和 自頂向下 先前的信息 在層次結構的所有級別。

通過行為實驗很好地補充了解剖學和生理學證據,表明視覺腦更加互聯。 在一系列視覺任務上 - 識別物體, 在不相關的對像中搜索特定對象 - 記住簡要介紹的視覺信息 - 人類的表現符合概率推理規則產生的期望。 我們基於概率推斷基於這些能力的假設的行為預測與實際的實驗數據很好地對應。

知情推測,最大限度地減少錯誤

神經科學家已經提出,通過自然選擇,大腦已經進化,積極地將感知和預期之間的差異瞬間最小化。 最小化這種差異必然涉及使用概率推理來基於先前的世界知識來預測輸入信息的方面。 神經科學家已將此過程命名為 預測編碼.

支持預測編碼方法的大部分數據都是通過研究視覺系統得出的。 然而,現在研究人員 開始概括這個想法 並將其應用於大腦中信息處理的其他方面。 這種方法為現代神經科學提供了許多潛在的未來方向,包括理解它們之間的關係 個體神經元的低水平反應和更高水平的神經元動力學 (例如記錄在腦電圖或腦電圖中的群體活動)。

雖然感知是一個推理過程的想法是 不是新的近年來,現代神經科學已經使它重新煥發活力 - 它已經戲劇性地改變了這個領域。 此外,該方法有望增加我們對信息處理的理解,不僅僅是視覺信息,還包括所有形式的感官信息以及更高層次的過程,如決策,記憶和有意識思維。

關於作者

Alex Burmester,感知和記憶研究助理, 紐約大學(New York University)

這篇文章最初發表於 談話。 閱讀 原創文章.

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