Ungeachtet dessen, was Sie vielleicht denken, ist Ihr Gehirn ein mathematisches Genie

Ungeachtet dessen, was Sie vielleicht denken, ist Ihr Gehirn ein mathematisches Genie

Salk-Neurowissenschaftler schlagen vor, wie sich das visuelle System automatisch an neue Umgebungen anpasst

LA JOLLA, CA – Die Ironie der Reise an einen abgelegenen Ort besteht darin, dass man normalerweise gegen den Verkehr ankämpfen muss, um dorthin zu gelangen. Nachdem Sie stundenlang gefährlichen Fahrern ausgewichen sind, kommen Sie endlich an diesem ruhigen Rückzugsort in den Bergen an, starren auf das sanfte Wasser eines unberührten Sees und gratulieren Ihrem müden Ich dazu, dass Sie „Ihr Gehirn ausgeschaltet haben“.

„Eigentlich haben Sie Ihr Gehirn gerade vor eine ganz neue Herausforderung gestellt“, sagt er Thomas D. Albright, Direktor der Vision Center-Labor am Salk Institute und Experte für die Funktionsweise des visuellen Systems. „Sie denken vielleicht, dass Sie sich ausruhen, aber Ihr Gehirn beurteilt automatisch die räumlich-zeitlichen Eigenschaften dieser neuartigen Umgebung – welche Objekte befinden sich darin, bewegen sie sich und wenn ja, wie schnell bewegen sie sich?“

Das Dilemma besteht darin, dass unser Gehirn nur eine begrenzte Anzahl von Neuronen für diese Beurteilung bereitstellen kann, sagt Sergei Gepshtein, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Vision Center Laboratory von Salk. „Es ist ein Problem der Ressourcenökonomie: Wenn das visuelle System über begrenzte Ressourcen verfügt, wie kann es diese dann am effizientesten nutzen?“

Albright, Gepshtein und Luis A. Lesmes, ein Spezialist für die Messung menschlicher Leistung, ein ehemaliger Postdoktorand des Salk Institute, jetzt am Schepens Eye Research Institute, schlugen in einer aktuellen Ausgabe von eine Antwort auf die Frage vor Proceedings of the National Academy of Sciences. Es könnte die rätselhaften Widersprüche in vielen früheren Studien in Einklang bringen.

Von links: Sergei Gepshtein und Thomas D. Albright

Bild: Mit freundlicher Genehmigung des Salk Institute for Biological Studies

Bisher gingen Wissenschaftler davon aus, dass eine längere Exposition gegenüber einer neuartigen Umgebung dazu führen würde, deren subtile Details besser zu erkennen, beispielsweise die langsame Bewegung der Wellen auf diesem See. Doch diejenigen, die versuchten, diese Idee zu bestätigen, waren überrascht, als ihre Experimente widersprüchliche Ergebnisse lieferten. „Manchmal wurden die Menschen besser darin, einen Reiz zu erkennen, manchmal wurden sie schlechter, manchmal gab es überhaupt keine Wirkung, und manchmal wurden die Menschen besser, aber nicht für den erwarteten Reiz“, sagt Albright, Inhaber des Conrad T. Prebys Chair in Vision bei Salk Forschung.

Laut Gepshtein ergab sich die Antwort aus einer neuen Frage: Was passiert, wenn man das Problem der Ressourcenzuweisung aus der Perspektive eines Systems betrachtet?

Es stellt sich heraus, dass etwas nachgeben muss.

„Es ist, als hätte das Gehirn ein Budget; Wenn es hier 70 Prozent investiert, kann es dort nur 30 Prozent investieren“, sagt Gepshtein. „Wenn die Anpassung erfolgt und Sie jetzt auf hohe Geschwindigkeiten eingestellt sind, können Sie sich schneller bewegende Dinge sehen, die Sie vorher nicht sehen konnten, aber durch die Zuweisung von Ressourcen für diesen Reiz verlieren Sie die Sensibilität für andere.“ Dinge, die vielleicht bekannt sind oder auch nicht.“

Zusammenfassend sagt Albright: „Einfach ausgedrückt ist es ein Kompromiss: Der Preis dafür, in einer Sache besser zu werden, wird in einer anderen immer schlechter.“

Gepshtein, ein computergestützter Neurowissenschaftler, analysiert das Gehirn aus der Sicht eines Theoretikers PNAS Der Artikel beschreibt detailliert die Berechnungen, die das visuelle System verwendet, um die Anpassung durchzuführen. Die Berechnungen ähneln der als Gabor-Transformation bekannten Methode der Signalverarbeitung, mit der Merkmale sowohl im räumlichen als auch im zeitlichen Bereich extrahiert werden.

Ja, auch wenn es Ihnen vielleicht schwer fällt, Ihr Scheckbuch auszugleichen, stellt sich heraus, dass Ihr Gehirn Vorgänge ausführt, für deren Beschreibung ein Nobelpreisträger nötig war. Dennis Gabor erhielt 1971 den Nobelpreis für Physik für seine Erfindung und Entwicklung der Holographie. Aber das war nicht seine einzige Leistung. Wie sein Zeitgenosse Claude Shannon beschäftigte er sich mit einigen der grundlegendsten Fragen der Kommunikationstheorie, etwa der Frage, wie viele Informationen in enge Kanäle komprimiert werden können.

„Gabor hat bewiesen, dass Messungen zweier grundlegender Eigenschaften eines Signals – seines Standorts und seines Frequenzinhalts – nicht unabhängig voneinander sind“, sagt Gepshtein.

Der Standort eines Signals ist einfach: Wo befindet sich das Signal zu welchem ​​Zeitpunkt? Der Inhalt – das „Was“ eines Signals – wird in der Sprache der Frequenzen „geschrieben“ und ist ein Maß für das Ausmaß der Variation, beispielsweise der verschiedenen Grautöne in einem Foto.

Die Herausforderung entsteht, wenn Sie versuchen, sowohl den Standort als auch die Häufigkeit zu messen, da der Standort in einem kurzen Zeitfenster genauer bestimmt werden kann, während für die Variation ein längeres Zeitfenster erforderlich ist (stellen Sie sich vor, wie viel genauer Sie ein Lied erraten können, je länger es abgespielt wird). .

Die offensichtliche Antwort ist, dass Sie auf einen Kompromiss angewiesen sind: Sie können eine genaue Messung für das eine oder das andere erhalten, aber nicht für beide. Aber wie können Sie sicher sein, dass Sie den bestmöglichen Kompromiss gefunden haben? Gabors Antwort war ein sogenannter „Gabor-Filter“, der dabei hilft, möglichst präzise Messungen für beide Qualitäten zu erhalten. Unser Gehirn verfolgt eine ähnliche Strategie, sagt Gepshtein.

„Beim menschlichen Sehen werden Reize zunächst von Nervenzellen kodiert, deren Reaktionsmerkmale, sogenannte rezeptive Felder, unterschiedlich groß sind“, erklärt er. „Die Nervenzellen mit größeren Empfangsfeldern reagieren empfindlich auf niedrigere Ortsfrequenzen als die Zellen mit kleineren Empfangsfeldern. Aus diesem Grund können die Operationen des biologischen Sehens durch eine Gabor-Wavelet-Transformation beschrieben werden.“

Im Wesentlichen wirken die ersten Phasen des visuellen Prozesses wie ein Filter. „Es beschreibt, welche Reize ankommen und welche nicht“, sagt Gepshtein. „Wenn man die Umgebung verändert, ändert sich der Filter, sodass bestimmte Reize, die vorher unsichtbar waren, sichtbar werden, aber weil man den Filter bewegt, gelangen andere Reize, die man vielleicht vorher erkannt hat, nicht mehr hinein.“

„Wenn man nur kleine Teile dieses Filters sieht, stellt man fest, dass die visuelle Empfindlichkeit manchmal besser und manchmal schlechter wird, wodurch ein scheinbar paradoxes Bild entsteht“, fährt Gepshtein fort. „Aber wenn man den gesamten Filter betrachtet, stellt man fest, dass die Einzelteile – die Gewinne und Verluste – ein zusammenhängendes Muster ergeben.“

Aus psychologischer Sicht ist dies laut Albright besonders faszinierend, weil die Beurteilung und Anpassung automatisch erfolgt – die gesamte Verarbeitung geschieht unabhängig davon, ob Sie dem Szenenwechsel bewusst „Aufmerksamkeit schenken“ oder nicht.

Doch obwohl die Anpassung automatisch erfolgt, scheint sie nicht augenblicklich zu erfolgen. Die Durchführung ihrer aktuellen Experimente dauert etwa XNUMX Minuten, die Wissenschaftler gehen jedoch davon aus, dass die Anpassung in der Natur weniger Zeit in Anspruch nehmen könnte.

Die Arbeit wurde unterstützt durch die National Institutes of Health die National Science Foundation, hat das Swartz-Stiftungund die Kavli-Stiftung.

Über das Salk Institute for Biological Studies:
Das Salk Institute for Biological Studies ist eine der weltweit herausragenden Grundlagenforschungseinrichtungen, in der international renommierte Dozenten in einem einzigartigen, kollaborativen und kreativen Umfeld grundlegende Fragen der Biowissenschaften untersuchen. Salk-Wissenschaftler konzentrieren sich sowohl auf Entdeckungen als auch auf die Betreuung zukünftiger Forschergenerationen und leisten bahnbrechende Beiträge zu unserem Verständnis von Krebs, Alterung, Alzheimer, Diabetes und Infektionskrankheiten, indem sie Neurowissenschaften, Genetik, Zell- und Pflanzenbiologie und verwandte Disziplinen studieren.

Die Leistungen der Fakultät wurden mit zahlreichen Ehrungen gewürdigt, darunter Nobelpreise und Mitgliedschaften in der National Academy of Sciences. Das 1960 vom Polioimpfpionier Jonas Salk, MD, gegründete Institut ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation und ein architektonisches Wahrzeichen.