Възстановиха кратки видеа единствено от мозъчни сигнали на мишки

Учени от University College London успяха да възстановят кратки видеоклипове, гледани от лабораторни мишки, като използваха единствено данни за активността на невроните в зрителната кора. Реконструкциите са с продължителност около 10 секунди и резултатите са публикувани в научното списание eLife.

Метод и нововъведение спрямо предишни подходи

В предишни изследвания за декодиране на визуални стимули често е използван функционален магнитен резонанс при хора. Новото проучване обаче прибягва до едноклетъчни записи на отделни неврони, което дава значително по-висока пространствена и времева резолюция и позволява по-прецизно проследяване на активността във визуалната кора на мишките.

За да се свърже невронната активност с визуалните кадри, изследователите прилагат т.нар. динамичен модел за невронно кодиране. Този модел прогнозира отговора на конкретни клетки при различни кадри от видеото, като по този начин се изгражда връзка между образовия стимул и регистрираните сигнали.

Как работи реконструкцията

Процесът започва с „празно“ изображение, което алгоритъмът постепенно модифицира. На всяка итерация системата сравнява реалната мозъчна активност с активността, предсказана от модела, и коригира текущото изображение, за да доближи прогнозата до измерените невронни сигнали. По този начин постепенно се генерират кадри, които отразяват визуалния стимул, наблюдаван от животното.

След обучение на модела учените успели да синтезират нови видеоклипове, използвайки единствено записите от невронната активност, получени докато мишките гледат изображения, непознати за системата. Това демонстрира, че методът не само възпроизвежда вече видяни сцени, но и може да обобщава към нови визуални входове.

Допълнителни сигнални източници и фактори

За подобряване на точността на реконструкциите екипът проследявал и промени в нивата на калций в невроните — използван като индикатор за активност. Освен това моделът отчитал и физическото състояние на животното, включително движенията на тялото и разширяването на зениците. Включването на тези поведенчески и физиологични параметри позволява по-добро разбиране кои елементи от мозъчната активност са свързани с визуалното възприятие.

Открития за начина, по който мозъкът обработва образи

Реконструираните кадри не са точни копия на оригиналните видеа, а показват характерни изкривявания. Това наблюдение подкрепя идеята, че мозъкът не действа като пасивна камера, а активно интерпретира и модифицира визуалната информация — акцентирайки някои детайли и пренебрегвайки други. Според ръководителя на проучването Джоел Бауер от Sainsbury Wellcome Centre целта е била да се създаде по-прецизен метод за разбиране на процесите, през които преминава визуалното възприятие.

Приложения и потенциал

Технологията може да бъде полезна за изучаване на това как различни видове възприемат света и за разкриване на механизми, които се нарушават при неврологични заболявания или зрителни нарушения. По-прецизните невронни записи и модели за декодиране позволяват да се анализират специфични промени в обработката на визуалната информация, които биха останали незабелязани при по-груби методи на измерване.

Резултатите представляват стъпка напред в невронауката и демонстрират възможностите на комбинирането на едноклетъчни записи със съвременни алгоритми за реконструкция на визуални стимули.