视觉挑战中的眼球追踪揭示了神经编码

               

“Seeing eye to eye”是一种和谐的表达，但是当不同的人看到同样的外部世界时，他们真的看到了同样的事情吗?“简单的答案是否定的，”Liron Gruber博士说。“即使是同一个人，每次看同一件事情的时候，他们的看法也是不同的。”

魏茨曼科学研究所脑科学部门的Gruber和Ehud Ahissar在进行了一项研究后得出了这些结论。在这项研究中，他们调查了魏茨曼数学家发现的人类视觉和计算机视觉之间的有趣差异。

由计算机科学与应用数学系的Shimon Ullman教授领导的这些研究人员发现，计算机算法无论多么聪明，在解释被称为最低识别配置(MIRCs )的图像片段时都比人类差得多(上图中中间一行)——也就是说，在判断这些片段是从哪些对象(上面一行)中衍生出来的。此外，当研究人员逐渐裁剪或模糊MIRCs 时，计算机的识别度以线性方式下降，而在人类参与者中，它在某个分界点突然下降(底部一行)。

Gruber意识到，涉及MIRCs 的实验可以提供关于人类视觉系统工作的丰富数据。在早些时候的一项研究中，她和她的博士导师Ahissar已经证明，与广泛接受的观点相反，人眼的工作方式并不像相机那样被动拍摄快照。在后来发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上的一项研究中，她和Ahissar与计算机科学家Ullman合作，对人类视觉进行了测试。

识别MIRCs 通常需要人们相对较长的时间——超过两秒，这比识别整个物体所需的300毫秒多6倍多。研究人员记录了人们试图识别MIRCs 的眼球运动，并使用计算模型模拟了视网膜中神经元的活动。

这些活动模式不仅随着眼球运动的不同而不同，还取决于人们是否能识别出图片中的物体。平均而言，识别需要用眼睛扫描图片中的不同点四次;在每个点上，眼睛都向各个方向局部漂移几百毫秒。

结果表明，眼球运动与物体之间的相互作用对识别至关重要。事实上，当研究人员取消物体和眼球运动之间的相互作用时——例如，通过与眼睛同步移动图片——研究参与者无法识别物体。

“视网膜不会复制外部世界——不像相机，它会在胶片上或数字上复制外部模式。相反，人类的视觉是一个主动的过程，包括外部物体和眼球运动之间的相互作用，”Ahissar说。“不同的人在看同一件事时，眼睛会沿着不同的路径走，甚至同一个人的眼睛也不会复制相同的轨迹，所以在某种程度上，每次我们看某件事，都是一次性的体验。”

那么大脑是如何编码视觉现实的呢?更准确地说，这种编码是如何从眼球运动和物体之间的相互作用中产生的?Gruber说:“当我们看一个物体或场景时，视网膜上的每个受体接收到的光的强度随着眼睛的每一次运动而变化。神经元活动的结果模式可以被大脑解释，也许还可以被大脑存储。”

这些发现代表了寻找神经密码的新方向，即信息是如何在大脑中编码的。与无处不在的遗传密码不同，神经密码在不同的大脑区域可能是不同的。研究结果表明，视网膜编码源于一个动态过程，在这个过程中，大脑通过感官与外部现实相互作用。他们解释了为什么识别一个模糊的物体或弄清楚光学错觉需要时间——例如，在白色表面的黑色斑块中发现一只“隐藏”的斑点狗:捕捉如此复杂的图像需要用眼睛扫描。

一旦人类的视觉——从眼球运动到神经编码——得到更好的理解，就有可能为视力受损的人开发有效的人工辅助设备，并教会机器人在具有挑战性的条件下识别物体时赶上人类。