دانشمندان آنچه را که موش ها تنها از فعالیت مغز دیدند، بازسازی کردند
دانشمندان ویدئوهایی را از فعالیت مغز موش ها بازسازی کردند و کلیپ های 10 ثانیه ای را تنها بر اساس سیگنال های نورون های قشر بینایی تولید کردند. این پیشرفت می تواند کمک کند تا نشان دهد چگونه مغز آنچه را که می بینیم، قبل از اینکه به درک ما از واقعیت تبدیل شود، تغییر شکل می دهد.
دانشمندان ویدئوهای کوتاهی را با استفاده از فعالیت های مغزی ضبط شده از موش ها بازسازی کرده اند و به طور موثر به محققان این امکان را می دهد تا آنچه را که حیوانات می دیدند بازسازی کنند. این مطالعه که توسط محققان دانشگاه کالج لندن (UCL) انجام شد، روش جدیدی را برای بررسی چگونگی تبدیل مغز ورودی بصری به نمایشی درونی از جهان ارائه میکند.
این یافتهها که در eLife منتشر شده است میتواند به دانشمندان کمک کند تا درک بهتری از نحوه پردازش اطلاعات بصری در مغز داشته باشند و در نهایت امکان مقایسه نحوه درک گونههای مختلف از محیط مشابه را فراهم کنند.
محققان سال ها تلاش کرده اند تا بفهمند مغز چگونه سیگنال های دریافتی از چشم ها را تفسیر می کند. در مطالعات انسانی، دانشمندان تصاویر و فیلم هایی را در حین ثبت فعالیت مغز با fMRI به مردم نشان داده اند، سپس از این اندازه گیری ها برای بازسازی اطلاعات بصری تا سطح پیکسل های فردی استفاده کردند.
کار جدید رویکرد متفاوتی دارد. محققان به جای تکیه بر سیگنالهای تصویربرداری وسیعتر از مغز، از ضبطهای تک تک سلولهای مغز در موشها استفاده کردند. این اندازه گیری های تک سلولی می تواند تصویر دقیق تری از نحوه نمایش اطلاعات بصری در مغز ارائه دهد.
با استفاده از فعالیت های ثبت شده از قشر بینایی، این تیم قادر به ایجاد بازسازی با کیفیت بالا از ویدئوهایی بود که به موش ها نشان داده شده بود.
دکتر جوئل بائر، نویسنده اصلی این مقاله (مرکز ولکام سانزبری در UCL) میگوید: "ما میخواستیم روش بهتری برای بررسی چگونگی تفسیر مغز آنچه میبینیم داشته باشیم. روشهای کنونی برای درک اینکه چه گروههای خاصی از نورونها را نشان میدهند، چندان قابل تعمیم به موقعیتهایی نیستند که به طور خاص برای آنها آزمایش نشدهاند. و بنابراین، ما میخواستیم روشی ایجاد کنیم که بتواند واقعیت را در مغز نشان دهد."
محققان بهخصوص به تفاوتهای بین آنچه از نظر فیزیکی در مقابل یک حیوان وجود دارد و نحوه نمایش آن اطلاعات در داخل مغز علاقهمند هستند. مطالعه این تفاوتها میتواند نشان دهد که مغز بر کدام ویژگیهای بصری تأکید میکند، تغییر میدهد یا فیلتر میکند.
برای بازسازی فیلمها، دکتر بائر و همکارانش از یک مدل رمزگذاری عصبی پویا استفاده کردند که در ابتدا توسط تیم تحقیقاتی دیگری برای مسابقه سنسوریوم 2023 ساخته شد. این مدل برای پیشبینی چگونگی واکنش تک تک نورونها (سلولهای مغز) در حین تماشای فیلم توسط موشها طراحی شده است. همچنین عوامل دیگری از جمله حرکات حیوانات و تغییر قطر مردمک را در نظر می گیرد.
سپس محققان UCL رویکرد را با استفاده از همان مجموعه داده اصلاح کردند. ابتدا، آنها محاسبه کردند که اگر موش به صفحه خالی نگاه می کرد، نورون ها چگونه رفتار می کردند. آنها این پیش بینی را با فعالیت واقعی نورون ها در زمانی که موش فیلم تماشا می کرد مقایسه کردند.
فعالیت عصبی با یک روش تصویربرداری میکروسکوپی اندازهگیری شده بود که مشخص میکند کدام سلولهای مغزی با تشخیص افزایش موضعی سطح کلسیم فعال هستند.
با استفاده از تفاوت بین فعالیت پیش بینی شده و اندازه گیری شده، یک الگوریتم به تدریج پیکسل های یک فیلم در ابتدا خالی را تغییر داد. با هر تنظیم، ویدیوی بازسازی شده بیشتر شبیه ویدیویی می شد که در واقع به ماوس نشان داده شده بود.
پس از آموزش مدل، محققان آزمایش سخت تری برای آن انجام دادند. آنها فعالیت مغز یک موش را در حالی که ویدیویی را تماشا می کرد که هرگز در داده های آموزشی مدل گنجانده نشده بود، ضبط کردند.
تنها با استفاده از آن فعالیت عصبی، سیستم یک فیلم 10 ثانیه ای شبیه به ویدیوی دیده نشده را بازسازی کرد.
دکتر بائر افزود: با استفاده از این رویکرد، ما توانستیم به بازسازی با کیفیت بالای کلیپ های ویدئویی 10 ثانیه ای دست یابیم. دقت بازسازی ها با گنجاندن داده های تعداد بیشتری از سلول های عصبی بهبود یافته و اهمیت داده های عصبی جامع را نشان می دهد.
نتیجه نشان می دهد که این روش صرفا به خاطر سپردن فیلم های نشان داده شده قبلی نبوده است. در عوض، توانست از الگوهای فعالیت عصبی برای استنتاج اطلاعات بصری از یک صحنه جدید استفاده کند.
برای ارزیابی بازسازیها، محققان از روشی به نام همبستگی پیکسلی استفاده کردند که پیکسلهای متناظر را در فیلمهای اصلی و بازسازیشده مقایسه میکند.
تجزیه و تحلیل تنها تفاوت های کوچکی را در زمان بندی دو ویدیو نشان داد. با این حال، محققان می گویند هنوز فضای قابل توجهی برای بهبود وضوح تصویر و میزان صحنه بصری قابل بازسازی وجود دارد.
کار آینده بر جمع آوری داده هایی متمرکز خواهد بود که می تواند از بازسازی های دقیق تر پشتیبانی کند و بخش بزرگی از آنچه حیوانات می بینند را پوشش دهد.
اکنون محققان قصد دارند از این تکنیک برای بررسی یک سوال عمیق تر در مورد بینایی استفاده کنند: بازنمایی درونی مغز چقدر با دنیایی که در واقع در مقابل ما قرار دارد متفاوت است؟
Vision صرفا یک فرآیند ضبط دوربین مانند نیست. مغز به طور مداوم اطلاعات حسی دریافتی را تفسیر، فیلتر و اصلاح می کند. درک دقیق مکان و چگونگی این تغییرات می تواند اصول مهمی را در مورد ادراک آشکار کند.
دکتر بائر نتیجه گرفت: "ما بازنمایی کاملی از جهان در ذهن خود نداریم. خط لوله پردازش بصری بازنمایی ما را به گونه ای تغییر می دهد که اطلاعات را تغییر می دهد. این انحراف بین واقعیت و بازنمایی در مغز لزوما یک خطا نیست بلکه یک ویژگی است که منعکس کننده نحوه تفسیر و افزایش اطلاعات حسی ذهن ما است. ما می خواهیم در مغز بررسی کنیم که چگونه این اتفاق می افتد."
مواد ارائه شده توسط دانشگاه کالج لندن. توجه: محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شود.
فسیل 90 میلیون ساله دایناسور کوچکی را نشان می دهد که در امتداد سواحل ژاپن زندگی می کند
گرد و غبار ستاره ای مدفون در یخ های قطب جنوب راز کیهانی 80000 ساله را فاش می کند
دانشمندان مولکولهای 160 میلیون ساله را با قدرتی شگفتانگیز در برابر ابر میکروبها احیا کردند.
یک راز 400 درجه در اعماق مریخ پنهان شده است
متن اصلی (انگلیسی)
Scientists recreated what mice saw from brain activity alone
Scientists reconstructed videos from the brain activity of mice, producing 10-second clips based only on signals from neurons in the visual cortex. The breakthrough could help reveal how the brain reshapes what we see before it becomes our perception of reality.