什么使你的大脑全押在你认为的东西上?

什么使你的大脑全押在你认为的东西上?

想象一下,在非洲大草原中散步。 突然间,你注意到一个移动的衬套部分遮住了一个大的黄色物体。 从这些有限的信息,你需要弄清楚你是否处于危险之中,并决定如何应对。 这是一堆干草吗? 还是饿狮子?

在这样的情况下,我们的大脑必须使用复杂和不确定的视觉信息做出瞬间的决定。 我们根据我们所看到的推论和随后的决定,可能是正确回应威胁和成为狮子下一餐的区别。

传统上,神经科学家们已经将视觉信息处理视为一个又一个发生的事件链,过滤输入信号(从眼睛)在空间和时间上的变化。 但是最近,我们开始认为这个过程更具动态性和互动性。 当视觉系统试图解决它所接收的感官信息的不确定性时,它使用先前的知识和当前的证据来对所发生的事情做出明智的猜测。

视觉系统:远不止眼睛

对于我们如何看待周围发生的事情,眼睛当然是至关重要的。 但大部分深入研究的人类视觉系统在大脑之内。

眼睛后面的视网膜含有光感受器,能够感应环境中的光线并对其作出反应。 这些光感受器反过来激活神经元,将信息传输到位于脑后的大脑视觉皮层。 视觉皮层然后处理原始数据,所以我们可以根据对眼睛的原始输入作出适当的响应和行为的决定。

视觉皮层被组织在解剖和功能层次中。 每个阶段在微观解剖学,功能角色和生理学两个方面都是不同的,也就是说,神经元如何对不同的刺激做出反应。

传统上,研究人员认为这个层次结构按顺序,逐级地,从下到上地过滤信息。 他们认为,视觉大脑的每个处理级别都向上传递了从下级接收到的视觉信号的更加精细的形式。 例如,在层次结构的一个阶段,从场景中提取高对比度边缘,以便稍后形成形状和对象的边界。


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原来的想法认为,最终,视觉皮层的最高层将在其神经元活动的模式中包含一个我们可以采取行动的世界的有意义的表示。 但是神经科学方面最近的几个发展已经把这个观点转变了。

世界 - 也就是视觉环境 - 每时每刻都是非常不确定的。 而且,我们知道 从许多研究 视觉大脑的能力是惊人的有限。 大脑依赖于像 视觉注意力和视觉记忆 帮助它有效利用这些有限的资源。

那么大脑究竟如何在一个信息量有限的高度不确定的环境中有效地导航呢? 答案是,它起到了争议和赌博。

抓住最好的猜测机会

大脑需要使用有限的模糊和可变信息输入来对其周围发生的事情作出明智的猜测。 如果这些猜测是准确的,它们可以构成良好决策的基础。

为了做到这一点,大脑本质上就是对其所拥有的信息进行赌博。 基于一小部分的感官信息,它为了获得最好的回报行为而押注在世界上。

考虑在稀树草原移动灌木的例子。 你看到一个模糊,大的黄色物体被灌木遮住了。 这个物体是否使灌木移动? 什么是黄色的斑点? 这是威胁吗?

这些问题与我们选择下一步做什么有关。 以有效的方式使用有限的视觉信息(移动灌木,大的黄色物体)是行为上重要的。 如果我们推断黄色物体确实是狮子或其他捕食者,我们可能会决定迅速向相反的方向移动。

推论可以被定义为基于证据和推理的结论。 在这种情况下,推论(这是一个狮子)是基于两个证据(大黄色物体,移动灌木)和推理(狮子大,存在于大草原)。 神经科学家认为 概率推理作为一种计算 涉及先前信息和当前证据的组合。

双向脑连接

过去二十年的神经解剖学和神经生理学证据表明,视觉皮层中的层次包含大量的连接 从低到高从高到低 在每一个级别。 而不是信息通过倒转的漏斗,随着越来越高的越来越精致,看起来像视觉系统更多的是一个互动的层次结构。 它显然是通过持续的反馈和前馈循环来解决世界固有的不确定性。 这允许 的组合 自下而上 目前的证据和 自上而下 事先信息 在各个层次上。

通过行为实验很好地补充了解剖学和生理学证据,表明视觉脑更加互联。 在一系列视觉任务上 - 识别物体, 在不相关的对象中搜索特定的对象 记住简要的视觉信息 - 人类的行为符合概率推理规则的期望。 我们的行为预测基于这样的假设:概率推断是这些能力的基础,与实际的实验数据很好地对应。

知情猜测,最小化错误

神经科学家认为,大脑已经通过自然选择发展,积极地将所感知到的和预期的时刻之间的差距缩短到最小。 最大限度地减少这种差异必然涉及使用概率推理来预测传入信息的方面的基础上的先验知识的世界。 神经科学家已经命名这个过程 预测编码.

大部分支持预测编码方法的数据都是通过研究视觉系统来实现的。 但是,现在的研究人员是 开始概括这个想法 并将其应用于大脑信息处理的其他方面。 这种方法已经为现代神经科学产生了许多潜在的未来方向,包括理解之间的关系 个体神经元的低水平反应和更高水平的神经元动力学 (如记录在脑电图或脑电图中的群体活动)。

而认知是一个推论过程的观点是 不是新现代神经科学近年来已经重新焕发了生机,现在这个领域已经发生了翻天覆地的变化。 此外,这种方法有望增加我们对信息处理的理解,不仅仅是视觉信息,还包括所有形式的感官信息以及决策,记忆和意识思维等更高层次的过程。

关于作者

感知和记忆研究助理Alex Burmester, 纽约大学

这篇文章最初发表于 谈话。 阅读 原创文章.

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