Биоинженеры перехватили послание нейронов, занятых визуализацией реальности
Ученые уже давно (и пока что не очень успешно) пытаются раскодировать послания, которыми обмениваются нейроны человеческого мозга в процессе передачи сознанию визуального представления об окружающем нас мире. Теперь группа американских биоинженеров из Гарварда и ученых-нейрофизиологов из Университета штата Нью-Йорк (State University of New York - SUNY) сделала важный шаг на пути к решению этой проблемы, изучив способы, посредством которых наш мозг умудряется быстро и точно "запаковывать" информацию о естественных визуальных событиях, протекающих в пределах разных временных шкал (новое исследование опубликовано в журнале Nature 6 сентября).
"Возможности нашего визуального восприятия ограничены довольно медленными темпами срабатывания нейронов, которые занимаются интеграцией поступающего в глаза светового потока. Из-за подобной физиологической особенности становится, например, возможной киноиллюзия - когда ряд мерцающих кадров сливается в нашем восприятии (без всяких швов) в единое непрерывное голливудское действо, - поясняет один из авторов статьи Гарретт Стэнли (Garrett Stanley) из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук (Harvard School of Engineering and Applied Sciences) при Гарвардском университете (Harvard University). - Однако если мозг реагирует на некое кратковременное визуальное событие (вроде подпрыгивающего мячика), то активность нейронов, ответственных за передачу этой информации, может обеспечивать миллисекундную точность, несмотря даже на то, что движение мяча само по себе гораздо медленнее".
Чтобы объяснить, как мозг может кодировать визуальную информацию с таким качеством, исследователи отслеживали нейронную активность у животных, смотрящих киноролики, снятые в местах их естественного обитания. Эти данные позволили Стэнли и его коллегам точно описать структуру обмена электрическими импульсами в тех клетках, что отвечают за передачу формы и движения. Анализ полученных данных заставил предположить, что переход мозга в режим восприятия реальности в пределах той или иной временной шкалы зависит от природы визуального стимула. Иными словами, точность момента срабатывания нейронов (своего рода запуск процесса синхронизации времени по внутренним часам) меняется в зависимости от требований к восприятию визуальной сцены. Например, более быстрое движение мяча приводит к повышенной мозговой активности (в сравнении с неторопливым движением). Тем не менее, точность восприятия, которая обеспечивалась активностью нейронов, по возможности всегда в несколько раз превосходила требуемую (исходящую из скорости движения мяча).
Стэнли сравнивает получаемый эффект с техническими требованиями, предъявляемыми к качеству цифровой звукозаписи. Ведь для ясного и полноценного воспроизведения частота кодирования должна по крайней мере вдвое превосходить собственную частоту сигнала, несущего информацию.
Отмечается, что знание реальной скорости, с которой мозг кодирует информацию, критически важно, например, для неврального протезирования, с помощью которого можно попытаться улучшить или же даже заменить те функциональные элементы человеческого мозга, которые были утрачены в результате травмы или болезни.
Источник:
Brain's Timing Linked With Timescales Of The Natural Visual World - ScienceDaily (Harvard University)
Справка
Почему частота дискретизации всегда должна более чем вдвое превосходить самую высокую частоту воспроизведения
Человеческое ухо способно слышать звук в частотном диапазоне примерно 15-20000 Гц. Существует правило, которое у нас называют теоремой Котельникова, а за рубежом - правилом Нюквиста, согласно которому частота дискретизации должна не менее чем вдвое превосходить максимальную частоту записываемого звука. Если это ограничение не выполнено, то при воспроизведении такой записи слышны звуки низкой частоты, которые отсутствовали в исходной звуковой волне.
Понять, почему такое происходит, можно на следующем примере. Вспомните, как на кино- и телеэкране выглядит движение автомобиля, особенно на старых пленках. Порою кажется, что колеса машины вращаются очень медленно и притом вообще в другую сторону. Это вызвано тем, что частота кадров (которая в данном случае играет роль частоты дискретизации) слишком мала. Между двумя последовательными кадрами, запечатленными на пленке, колесо автомобиля делает почти полный оборот, а зрительная система человека воспринимает "почти полный оборот вперед" как "небольшой поворот назад". Применительно к этому примеру теорема Котельникова гласит, что частота кадров должна быть такой, что между последовательными кадрами колесо не должно поворачиваться больше, чем на пол-оборота.
Точно то же самое происходит и в случае звукозаписи. При недостаточной частоте дискретизации пропускаются "пики" или, наоборот "впадины" звуковой волны, в результате чего регистрируемая частота оказывается значительно меньше реальной. "Восстановленная" аналоговая форма из-за недостаточной частоты дискретизации содержит значительно меньше колебаний, чем исходная волна.
Понятно, что чем выше частота дискретизации и разрядность, тем более качественной окажется запись. Однако просто увеличивать эти параметры не имеет смысла, так как при этом увеличивается объем отдельного сигнала и число сигналов, а, следовательно, и объем записи (в том числе объем данных, которые должны обрабатываться каждую секунду при ее воспроизведении). Таким образом, нужны минимальные значения, обеспечивающие высокое качество.
Статьи по теме
Спящие коты с широко закрытыми глазами: сон разума рождает реальность
Склонность людей во всем окружающем видеть то, что они заранее ожидают увидеть, может быть вызвана характерной мозговой деятельностью, в результате которой постоянно генерируются некие виртуальные предощущения. Такой вывод был сделан израильскими учеными на основе изучения спящих котов.
Товарищество на вере
Канадские психологи экспериментально продемонстрировали, что упоминания о боге способствуют проявлениям альтруизма в человеческом поведении. Однако религиозное происхождение нравственности нельзя считать доказанным.
С помощью электротока можно улучшать память
Немецкие нейроэндокринологи сумели показать, что слабая стимуляция определенных зон человеческого мозга маломощными импульсами электрического тока во время сна может способствовать укреплению памяти.
Ученые доказали, что бог есть любовь
В последних экспериментах в человеческом мозгу так и не удалось обнаружить какого-либо единого специализированного "места для бога", ответственного за мистические и религиозные переживания. Информацию о новом исследовании, противоречащем предыдущим экспериментам такого рода, комментирует директор петербургского Института мозга человека Святослав Медведев.
Нейробиологи показали, что мы живем среди галлюцинаций
Новые исследования британских ученых заставляют лишний раз усомниться в "абсолютно правдивых" показаниях каких-либо свидетелей преступлений и к тому же вообще способны серьезно пошатнуть веру в здравый смысл и психическое здоровье подавляющего большинства наших современников.
Ученые подобрали ключи к скрытой памяти
Американские и голландские нейробиологи показали, что мозг способен хранить даже давно, казалось бы, забытые образы прошлого. Новая методика может быть положена в основу детекторов лжи нового поколения.
Подтверждена реальность феномена отключения сознания
Израильские нейробиологи изучили картины работы головного мозга человека в тот момент, когда он "перестает быть человеком". Подобные случаи происходят тогда, когда мы с головой уходим в какую-нибудь необычайно интересную книгу, фильм, концентрируемся на важной проблеме, поглощены азартом игры или занимаемся любовью.
Счастье от ума
Удалось продемонстрировать, что у людей с более высоким показателем интеллекта симптомы шизофрении сказываются в меньшей степени, а у мозга таких счастливцев может даже сохраняться способность функционировать в обычном режиме.
Компьютерные игры как рассадник садизма
Американские исследователи выявили механизмы работы головного мозга, которые могут отвечать за связь компьютерных игр в жанре "экшн" с проявлениями молодежной агрессии и раздражительности.
Клетки нашего мозга знают больше, чем мы сами
Мы часто делаем какой-нибудь совершенно неверный ход, хотя знание всех обстоятельств, позволяющее осуществить выбор правильного решения, уже, казалось бы, содержится в голове... Американские нейробиологи при взгляде на мозговую активность обезьян научились отгадывать, что в действительности знают животные.
Нагота ослепляет
В ходе не вполне приличных экспериментов установлено, что человеку труднее точно воспринимать окружающие объекты, если непосредственно перед этим ему показать голую женщину.
Почему бесы и ангелы говорят с нами мужскими голосами
Британские ученые считают, что им удалось ответить на вопрос, почему большинство людей, слышащих потусторонние голоса во время слуховых галлюцинаций, твердо уверены в том, что с ними говорили мужским голосом.
Ученые научились считывать информацию о наших желаниях с помощью электродов
В ходе нового исследования удалось не только локализовать то место в мозгу, где возникает импульс, определяющий движение конечностей, но и успешно предсказывать, что именно собирается сделать пациент в данный момент времени.
Мужчины и женщины действительно думают по-разному
Мужчины и женщины думают по-разному. По крайней мере, от того, какого человек пола, существенно зависит внутреннее устройство и функционирование головного мозга. В новом исследовании показано, что мужчины думают, больше полагаясь на серое вещество (как в свое время совершенно правильно заметил великий сыщик Эркюль Пуаро), а вот женщины мыслят в основном с помощью вещества белого.
Эволюцию мозга дельфинов сравнили с человеческой
За последние 47 миллионов лет мозг у дельфинов развился до невиданных для других животных размеров. Новое, самое обширное исследование ископаемых останков этих морских жителей поставило своей целью описать динамику соответствующего эволюционного развития. Косвенным образом это может помочь найти ответ на вопрос, как сами люди стали настолько "мозговитыми".
Против террористов выступят зомбированные крысы
Американские ученые превратили обычных крыс в превосходных ищеек, способных находить людей в развалинах зданий и вынюхивать спрятанную взрывчатку. Они вживили в головной мозг подопытных животных десятки миниатюрных стальных электродов. Такие электроды были введены в три участка: обонятельную и двигательную области коры больших полушарий, а также центр удовольствия, который расположен под корой, в гипоталамусе.
Ученые узнали, почему месть сладостна
Многие из нас на себе ощущали справедливость выражения "сладкая месть". Месть издавна служила едва ли не главным действующим лицом многих литературных произведений - фактором, как побуждающим героя совершать нерациональные поступки, так и автора - писать свои новые романы и поэмы (стоит вспомнить только "Графа Монте-Кристо" Дюма или "Ад" Данте), однако только теперь ученые поняли, почему все так происходит.
"Перепутанные" слепцы раскрыли тайну синестезии
Типичный пример проявления синестезии - "цветной слух" и звуковые переживания при восприятии цвета. В той или иной форме все это встречаются достаточно часто, однако людей, по-настоящему убежденных в том, что "пятерка - именно зеленая", а "понедельник - серый", не так уж и много. Теперь результаты обследования шестерых слепых человек с "синестетическими" способностями готовы разрушить сложившуюся уже было теорию.
Ученые раскрыли тайну "синдрома Пруста"
Связь запахов и вкусовых ощущений с прихотливой работой памяти была всегда очевидна для наиболее изощренных писателей прошлого и для наших современников. Эффект обретения воспоминаний через запахи получил название "феномен Пруста" и послужил источником бесконечных вариаций у самых разных авторов. Теперь возглавляемая британцами группа нейробиологов подобрала этому явлению соответствующее научное объяснение.
Удалось экспериментально проследить за процессами старения мозга
Получены экспериментальные данные, которые позволяют лучше понять причины возрастного ослабления памяти. Исследователи выяснили, что старение мозга затрагивает прежде всего зубчатую извилину. Есть основания считать, что именно она интегрирует информацию, приходящую от органов чувств, и в обобщенном виде передает ее другим структурам гиппокампа.
Изучены механизмы памяти, ограничивающие возможности человеческого интеллекта
Американские нейрофизиологи выяснили, что сведения о предметах и событиях, которые человек способен единомоментно удерживать в памяти, локализованы в очень небольшой области коры головного мозга. Больше всего исследователей поразила малость этого участка, который оказался не больше однокопеечной монеты.
Новое открытие позволит создать лекарства, улучшающие память и интеллектуальные способности
Сотрудники Юго-Западного университета в Техасе уверены, что им удалось выявить белок, играющий ключевую роль в процессах обучения и запоминания. Полученные с помощью методов генной инженерии мыши, нервная система которых не способна вырабатывать этот протеин, глупы до идиотизма (разумеется, по мышиным меркам).
Мозговые волны управляют видеоигрой
Видеоигра, в которой управление осуществляется непосредственно человеческим мозгом, и при этом нет никакой потребности в проводах, мышках и клавиатурах, была продемонстрирована в лаборатории MIT Media Lab Europe в Дублине. "Геймплэй" этой игры, правда, пока весьма незамысловат, однако новинка может оказать неоценимую помощь при разработке интерфейсов, связывающих мозг человека прямо с компьютером. Возможно со временем геймеры так обленятся и ослабеют, что не смогут даже кнопки нажимать.
Ученые NASA начали компьютеризировать человека и создали первых телепатов
Специалисты NASA разработали компьютерную программу, которая может угадывать слова еще до того, как их произнесут, - по нервным импульсам в гортани и речевом аппарате. Результаты предварительных исследований показывают, что сенсорные датчики размером с пуговицу, подсоединенные по обеим сторонам кадыка, улавливая сигналы, исходящие от языка, горла и голосовых связок, действительно могут применяться как устройства для чтения мыслей. Ими снабдят астронавтов, отправляющихся к Марсу.
Человеческий мозг воспринимает наши тени как физическое продолжение тел
Мозг человека, как показывает новое исследование, проведенное английскими, итальянскими и немецкими нейробиологами, инстинктивно рассматривает наши тени как продолжение наших тел.
Скрытая красота в человеке выявлена экспериментально
"Зорко одно лишь сердце. Самого главного глазами не увидишь". Чтобы это положение превратилось в непререкаемый научный факт, было проведено сразу три исследования по изучению влияния "нефизических" черт на восприятие людьми физической привлекательности своих партнеров.
Племя без названий для чисел не умеет считать
Изучение примитивного южноамериканского племени способно вновь разжечь жаркие дискуссии по поводу того, могут ли люди считать, если их язык не содержит названий для чисел. С помощью несложных тестов выяснилось, что математические способности взрослых членов этого племени уступают аналогичным способностям американских и европейских младенцев или даже некоторых животных.
Найдено главное отличие человека от животных
Животные умеют пользоваться орудиями труда, передавать эти навыки по наследству, создавая "культуры", пользоваться "языками", испытывать самые сложные эмоции, которые ранее считались присущими исключительно человеку... Но вот теперь ученым-этологам, похоже, все-таки удалось отыскать одну вещь, которая отличает нас от самых ближайших "родственников" - шимпанзе.