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大脑的颞下皮层可以识别物体的新证据

发布时间:2018-05-16

em在一篇新发表的研究中,来自MIT的神经科学家揭示证据表明大脑的颞下皮层可以识别物体。 < / EM>

当眼睛打开时,视觉信息从视网膜通过视神经流入大脑,然后将这些原始信息组合成物体和场景。

科学家们之前曾假设,在颞下(IT)皮层区分物体,该皮层接近该信息流的末端,也称为腹侧流。麻省理工学院神经科学家的一项新研究提供的证据确实如此。

研究人员利用来自人类和非人类灵长类动物的数据发现,IT皮层中的神经元放电模式与物体识别任务的成功密切相关。

“虽然我们从以前的工作中了解到,颞下皮质区的神经元群体活动很可能是视觉物体识别的基础,但我们没有一个预测图能够将该神经活动准确地与物体感知和行为联系起来。这项研究的结果表明,从人口活动到行为的特定方面,特定地图对所有类型的被测试物体都是高度准确的,“麻省理工学院脑与认知科学系主任James DiCarlo说。麦戈文脑研究所,这项研究的资深作者,出现在“神经科学杂志”上。

该论文的主要作者是Najib Majaj,DiCarlo实验室的前博士后,现在在纽约大学。其他作者是前麻省理工学院研究生哈虹和前麻省理工学院本科生伊桑所罗门。

区分对象

沿着腹面流的早期停止被认为是处理诸如亮度和方向的基本视觉元素。更复杂的功能发生在沿着河流的更远处,相信发生在IT皮层中的物体识别。

为了研究这一理论,研究人员首先要求人类受试者执行64个对象识别任务。 Majaj说,其中一些任务“非常容易”,例如区分苹果和汽车。其他 - 比如区分两个非常相似的面孔 - 非常困难,只有大约50%的时间对象是正确的。

在对这些任务进行人体表现测量后,研究人员随后向非人灵长类动物展示了近6000张图像,因为它们记录了颞下皮层神经元和另一个称为V4的视觉区域的电活动。

168个IT神经元和128个V4神经元中的每一个都响应某些对象而不是其他对象,从而创建一个触发模式,作为每个对象的独特签名。通过比较这些签名,研究人员可以分析它们是否与人类区分两个物体的能力相关。

研究人员发现,IT神经元而不是V4神经元的放电模式完美预测了他们所看到的人类表现。也就是说,当人类难以区分两个物体时,这些物体的神经签名非常相似以至于无法区分,而且对于人类成功的配对,这些模式是非常不同的。

“在简单的刺激下,IT和人类一样好,在困难的刺激下,IT也失败了,”Majaj说。 “我们在行为和神经反应之间有很好的相关性。”

研究人员说,这些发现支持这样的假设,即IT皮层中的神经活动模式可以编码足够详细的对象表示,以便大脑区分不同的对象。

英国剑桥医学研究委员会认知和脑科学部门的主要研究人员Nikolaus Kriegeskorte同意这项研究提供了“支持下颞叶皮层包含人类视觉物体识别背后的神经元表征的重要证据”。

“这项研究是建立大脑表征与人类行为表现之间联系的原始和严谨方法的典范,”Kriegeskorte补充说,他不是该研究小组的成员。

模型性能

研究人员还测试了超过10,000种其他可能的大脑如何编码对象表示的模型。这些模型根据大脑中的位置,所需的神经元数量以及神经活动的时间窗口而有所不同。

其中一些模型,包括一些依赖于V4的模型被淘汰,因为它们在某些任务上的表现要好于其他人,而在其他方面表现更差。

Majaj说:“我们希望神经元的表现能够完美地匹配人类在模式方面的表现,因此对于神经群体而言,简单的任务将很容易,对于神经群体而言,艰巨的任务将很难。”Majaj说。

研究团队现在的目标是收集更多的数据,询问这个模型或类似模型是否可以预测每个视觉图像上物体识别的行为难度 - 甚至比目前测试的还要高。这可能需要将其他因素纳入本研究中不需要的模型中,因此可能会暴露科学家当前对物体神经表征的理解方面的重大差距。

他们还计划扩展该模型,以便他们可以基于来自视觉流的早期部分的输入来预测IT中的响应。

Majaj说:“我们可以开始建立一系列计算操作,从视网膜上的图像缓慢地通过V1,V2,V4,直到我们能够预测IT人群。”

出版物:Najib J. Majaj等人,“简单学习的加权总和的时间下降的神经元启动率准确地预测人体核心对象识别性能”,神经科学杂志,2015年9月30日,35(39):13402-13418; doi:10.1523 / JNEUROSCI.5181-14.2015

来源:麻省理工学院新闻Anne Trafton

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