Способность к распознаванию зрительных образов у цыплят врожденная

Автор: Юлия Кондратенко

Рис. 1. В камере, где содержались подопытные цыплята. не было кормушки и поилки, вода и зерно помещались под сетчатым полом. Единственное, что новорожденный цыпленок видел в первую неделю своей жизни, — это виртуальный объект, поворачивающийся туда-сюда на 60° вокруг одной из своих осей. Сначала изображение объекта проецировалось на одну из двух боковых стен камеры. На вторую неделю объекты проецировались на обе стены; один из них был незнаком цыпленку, а другой знаком, но демонстрировался с непривычных для него ракурсов. Чтобы определить, какой из объектов цыпленок считает знакомым, измерялось время, которое он проводил вблизи стен, на которые проецировались изображения. Из обсуждаемой статьи в PNAS

Исследователю из Университета Южной Калифорнии удалось продемонстрировать, что способность мозга создавать абстрактные образы (инварианты) зрительного восприятия является у цыплят врожденной. Инвариантный образ — это модель объекта, которую мы строим в нашем сознании; благодаря наличию этой модели мы можем узнавать объект, видя его с разных расстояний и с различных ракурсов. До сих пор предполагалось, что чтобы научиться создавать такие модели, мозгу нужно накопить определенный зрительный опыт.

Наш мозг способен безошибочно распознавать множество самых разных объектов. А ведь часто знакомый нам объект предстает перед нами в уникальных условиях: мы видим его с непривычного ракурса или с расстояния, на котором он нам раньше не встречался, или при другом освещении, и так далее. При этом на сетчатке глаза каждый раз создаются разные изображения знакомого объекта; однако, каким-то образом мозг связывает все эти изображения с одним и тем же образом объекта, который хранится у нас в памяти. Такие образы называются инвариантами: они узнаются при предъявлении объекта в самых разных визуальных условиях.

Инвариантное распознавание образов возможно потому, что для каждого знакомого нам типа объектов в мозгу строится виртуальная модель, максимально точно воспроизводящая объект. До сих пор было принято считать, что для того, чтобы научиться точно строить модели, индивидууму необходимо накопить определенный зрительный опыт, позволяющий выявлять закономерности в устройстве объектов и строить достаточно точные модели даже по неполным данным (например, когда нет возможности рассмотреть объект со всех сторон). Однако Джастин Вуд из Университета Южной Калифорнии показал, что эта способность мозга является врожденной и не требует ни наличия какого-либо зрительного опыта, ни даже всестороннего исследования объекта, модель которого необходимо построить.

Ученый ставил эксперименты на новорожденных цыплятах. Как известно, они обладают трогательной особенностью привязываться к первому объекту, который они видят в жизни, принимая его за мать. Впоследствии они стараются проводить как можно больше времени поблизости от этого объекта. Это свойство называется импринтинг, и в обычных обстоятельствах оно помогает цыпленку запомнить мать и следовать за ней, так как мать действительно обычно оказывается первым объектом, который цыпленок видит после появления на свет. Ученые же, ставя эксперименты на цыплятах, используют это свойство в своих интересах. Так, Джастин Вуд, видя, что цыпленок проводит большую часть времени у определенного объекта, понимал, что цыпленок опознает этот объект как первый увиденный в жизни.

Рис. 2. Цыпленок изучает один из виртуальных объектов. Из обсуждаемой статьи в PNAS

Вуд решил проверить, способны ли новорожденные цыплята, у которых еще нет никакого зрительного опыта, создавать инвариантные образы. Для этого он поставил серию экспериментов. Чтобы зрительный опыт, полученный цыплятами, можно было полностью контролировать, их выращивали в специальных камерах, в которых ничего не было; стены, пол и потолок были гладкими. Единственное, на что можно было взглянуть в такой камере, это проецируемое на одну из стен изображение некоего объекта, который постоянно поворачивался туда-сюда на 60° вокруг вертикальной оси (см. рис. 1, а также видео).

Таким образом, цыпленок видел объект не со всех сторон и имел далеко не полную информацию о его форме. В таких условиях цыпленок содержался первую неделю своей жизни. Затем условия менялись: на двух противоположных стенах камеры появлялись проекции разных объектов: один из них был незнаком цыпленка, а другой — знаком, но показан с незнакомых цыпленку ракурсов. Пары объектов были подобраны так, что проекции одного и того же объекта с разных ракурсов различались между собой больше, чем проекции двух разных объектов. (Степень различия между двумя изображениями вычислялась исходя из разницы яркостей соответствующих пар пикселей; чем больше суммарная разница яркостей всех пар пикселей, тем больше отличаются два изображения.) Таким образом, чтобы правильно опознать объект, цыпленку требовалось создать его инвариантный образ, который распознавался бы с самых разных ракурсов. В течение недели измерялось время, которое цыпленок проводит вблизи каждой из стен, на которые проецировались изображения, и по этим данным судили, правильно ли цыпленок опознал объект. Считалось, что, согласно свойству импринтинга, объект, у которого цыпленок проводит больше времени, он отождествляет с первым увиденным в жизни (рис. 2)

Оказалось, что в большинстве случаев цыплята узнают объект безошибочно, хотя он и демонстрировался им с ракурсов, с которых они никогда его прежде не видели. Естественно, что с одних ракурсов знакомый объект распознавался хуже, чем с других. Также ошибок было больше, если знакомый и незнакомый объекты показывались с ракурсов, с которых они выглядели максимально похожими (рис. 3).

Рис. 3. Проекции виртуальных объектов, демонстрировавшиеся цыплятам в одном из экспериментов (см. также видео). Вверху — знакомый объект; внизу — различные пары изображений, проецировавшихся на противоположные стены камеры. Серые столбики отражают количество случаев, когда цыплята выбирали данный объект. Видно, что им было сложнее правильно распознать знакомый объект, когда на выбор предлагались похожие изображения. При этом ясно, что эти изображения похожи, только если представить, как выглядит соответствующая объемная фигура; а если сравнивать такие изображения попиксельно, они будут сильно различаться). Из обсуждаемой статьи в PNAS

Однако даже в самых сложных для распознавания случаях цыплята делали правильный выбор в 68% опытов. Интересно, что среди цыплят были выявлены более и менее способные; так, систематически совершали ошибки только 6 цыплят из 35 участвовавших в эксперименте. Поскольку этим шести цыплятам демонстрировался один и тот же объект, его форма была признана сложной для того, чтобы точно построить его модель, имея не всю информацию о его форме; а цыплят посчитали от рождения менее способными к созданию инвариантов зрительного восприятия.

В целом эксперименты показывают, что новорожденные цыплята обладают способностью правильно создавать инвариантные образы объектов, даже если они не имели до этого никакого зрительного опыта и не могли увидеть объект со всех сторон. Важно, что способность правильно распознать объект не коррелировала с рассчитанным попиксельным сходством изображений, демонстрировавшихся в первую и вторую недели. Это говорит о том, что уже новорожденные цыплята могут отождествлять очень разные изображения на сетчатке с одним и тем же образом, хранящимся у них в памяти. Этот результат может представлять особенный интерес для разработчиков систем искусственного зрения, в которых проблема распознавания объекта независимо от его ракурса и расстояния до него, является особенно сложной.

Что касается человека, то пока до конца не ясно, является ли у него врожденной способность инвариантного зрительного восприятия. Нет особых оснований думать, что новорожденный младенец отстает от цыпленка в умении строить модели наблюдаемых объектов; к тому же, растет число свидетельств того, что цыплята и люди используют сходные механизмы для обработки сенсорной информации. Однако поставить на новорожденных чистый эксперимент с ограничением зрительного опыта в первую неделю жизни не получится (это может плохо повлиять на дальнейшее развитие ребенка), да и определить, узнал ли младенец объект, будет непросто. Поэтому подобные эксперименты проводились на детях в возрасте нескольких месяцев и старше, уже накопивших значительный зрительный опыт: зрительная система у них уже достаточно хорошо «настроена», и естественно, что распознавание объектов, демонстрируемых с разных ракурсов, у них идет хорошо.

Механизмы, с помощью которых осуществляется инвариантное распознавание образов в мозгу новорожденного цыпленка, еще только предстоит исследовать. По проведенным экспериментам трудно судить, строят ли новорожденные цыплята полные модели объектов или лишь модели их отдельных, наиболее характерных, частей. В любом случае, обнаружение у новорожденных цыплят способности инвариантного распознавания зрительных образов — интересное открытие, расширяющее наши представления о врожденных и приобретенных свойствах мозга.

Источник: Justin N. Wood. Newborn chickens generate invariant object representations at the onset of visual object experience // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2013. 110(34). doi:10.1073/pnas.1308246110.