為了更好地觀察周圍的世界，動物們不斷地運動。靈長類動物和人類使用復(fù)雜的眼球運動來集中視覺，例如，人類閱讀時的眼球運動；鳥類、昆蟲和嚙齒類動物則通過移動頭部來集中視覺，甚至估計距離。然而，這些運動是如何在大腦用于“觀察”的復(fù)雜神經(jīng)元回路中發(fā)揮作用的，目前大部分仍是未知的。由于科學(xué)家創(chuàng)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來模擬視覺如何在自動駕駛汽車中工作，因此，該領(lǐng)域的問題具有研究價值。
據(jù)外媒報道，為了更好地理解運動和視覺之間的關(guān)系，哈佛大學(xué)的研究人員觀察了當(dāng)動物自在地漫步時，大腦中分析圖像的主要區(qū)域發(fā)生了什么。該項研究的結(jié)果顯示，當(dāng)動物運動時，圖像處理回路在初級視覺皮層不僅更活躍，而且它們接收來自大腦運動控制區(qū)域的信號，該區(qū)域獨立于處理所看到的東西的區(qū)域。事實上，研究人員描述了視覺皮層中兩組與運動相關(guān)的模式，這兩種模式基于頭部的運動以及動物是處于光照或黑暗中。
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與運動相關(guān)的發(fā)現(xiàn)出乎意料，因為視覺往往被認(rèn)為是一種前饋計算系統(tǒng)，視覺信息通過視網(wǎng)膜進入，在單向神經(jīng)回路中移動，對信息逐步進行處理。而研究人員發(fā)現(xiàn)，有更多的證據(jù)表明，視覺系統(tǒng)具有更多的反饋組件，信息可以向相反的方向傳播。這些結(jié)果讓人們得以一窺神經(jīng)活動是如何在大腦的感知區(qū)域中工作的。
哈佛醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)系博士后研究員、該項研究的主要作者Grigori Guitchounts表示，“在視覺皮層中看到此種類型的（運動相關(guān)）信息令人驚訝，因為傳統(tǒng)上人們認(rèn)為視覺皮層只處理圖像。該感知區(qū)域會呈現(xiàn)動物正在進行的特定類型的動作，而原因最初是很神秘的?！彪m然科學(xué)家們還不能確定發(fā)生這種情況的原因，但他們相信這與大腦感知周圍事物的方式有關(guān)。Guitchounts稱，“對此的模型解釋是，大腦以某種方式需要協(xié)調(diào)感知和行動，你需要知道感官輸入何時是由自身的行為引起的，何時是由外界的東西引起的。”
過去關(guān)于視覺實驗的典型設(shè)置是這樣的：如老鼠或猴子這些動物被注射鎮(zhèn)靜劑，使其頭部固定在固定位置，然后予以視覺刺激，如照片，這樣研究人員可以看到大腦中的哪些神經(jīng)元會做出反應(yīng)。但此種方法并沒有闡明運動如何影響進行分析工作的神經(jīng)元。
此次最新實驗中，研究人員觀察10只老鼠的晝夜活動，以探索這一問題。科學(xué)家們把每只老鼠放在籠子里，并持續(xù)記錄其頭部運動。通過植入電極，他們測量了老鼠運動時初級視覺皮層的大腦活動。其中一半的信息是在有光照的條件下記錄的，另一半信息則是在完全黑暗的環(huán)境下記錄的。研究人員想要比較有視覺輸入和沒有視覺輸入時視覺皮層的活動。
數(shù)據(jù)顯示，平均而言，即使在黑暗中，老鼠運動時的視覺皮層比休息時更活躍。然而在漆黑的房間里，并沒有需要處理的視覺數(shù)據(jù)，這意味著此種活動來自運動皮層，而非外部圖像。研究小組還注意到，在黑暗環(huán)境和光照環(huán)境中，運動時視覺皮層的神經(jīng)模式是不同的，這意味著這兩種模式之間沒有直接聯(lián)系。研究人員使用機器學(xué)習(xí)算法對兩種模式進行編碼。通過觀察老鼠視覺皮層的神經(jīng)活動，科學(xué)家們不僅能判斷出老鼠頭部的移動方向，還能在老鼠做出動作前幾百毫秒預(yù)測出其移動方向。
研究人員通過聚焦次級運動皮層，證實了運動信號來自大腦的運動區(qū)。他們在幾只老鼠身上進行了手術(shù)破壞，然后再次進行實驗。大腦這一區(qū)域受損的老鼠，視覺皮層不再發(fā)出信號。然而，研究人員無法確定信號是否來自次級運動皮層。
此外，科學(xué)家們指出了他們的發(fā)現(xiàn)存在一些局限性。例如，他們只測量了頭部的運動，卻沒有測量眼球的運動，而且該項研究基于在夜間活動的嚙齒類動物。雖然這類動物的視覺系統(tǒng)與人類和靈長類動物有相似之處，但復(fù)雜性有所不同。不過，這些發(fā)現(xiàn)有可能應(yīng)用于控制機器視覺的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，如自動駕駛汽車的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
Guitchounts表示，“這一切都是為了更好地理解視覺是如何工作的。神經(jīng)科學(xué)正在進入一個新時代，我們認(rèn)為感知和行動是相互交織的循環(huán)。沒有感知就沒有行動，沒有行動就沒有感知，我們現(xiàn)在有技術(shù)來進行測量?！?/p>