Здатність до розпізнавання зорових образів у курчат вроджена

Ріс. 1. У камері, де містилися піддослідні курчата. не було годівниці і поїлки, вода і зерно поміщалися під сітчастою підлогою. Єдине, що новонароджене курча бачило в перший тиждень свого життя, — це віртуальний об’єкт, що повертається туди-сюди на 60 ° навколо однієї зі своїх осей. Спочатку зображення об’єкта проектувалося на одну з двох бічних стін камери. На другий тиждень об’єкти проектувалися на обидві стіни; один з них був незнайомий курча, а інший знайомий, але демонструвався з незвичних для нього ракурсів. Щоб визначити, який з об’єктів курча вважає знайомим, вимірювався час, який він проводив поблизу стін, на які проектувалися зображення. З обговорюваної статті в PNAS

Досліднику з Університету Південної Каліфорнії вдалося продемонструвати, що здатність мозку створювати абстрактні образи (інваріанти) зорового сприйняття є у курчат вродженою. Інваріантний образ — це модель об’єкта, яку ми будуємо в нашій свідомості; завдяки наявності цієї моделі ми можемо дізнаватися об’єкт, бачачи його з різних відстаней і з різних ракурсів. Досі передбачалося, що щоб навчитися створювати такі моделі, мозку потрібно накопичити певний зоровий досвід.

Наш мозок здатний безпомилково розпізнавати безліч різних об’єктів. Адже часто знайомий нам об’єкт постає перед нами в унікальних умовах: ми бачимо його з незвичного ракурсу або з відстані, на якій він нам раніше не зустрічався, або при іншому освітленні, і так далі. При цьому на сітківці очі щоразу створюються різні зображення знайомого об’єкта; однак, якимось чином мозок пов’язує всі ці зображення з одним і тим же чином об’єкта, який зберігається у нас в пам’яті. Такі образи називаються інваріантами: вони дізнаються при пред’явленні об’єкта в різних візуальних умовах.

Інваріантне розпізнавання образів можливе тому, що для кожного знайомого нам типу об’єктів в мозку будується віртуальна модель, максимально точно відтворює об’єкт. Досі було прийнято вважати, що для того, щоб навчитися точно будувати моделі, індивідууму необхідно накопичити певний зоровий досвід, що дозволяє виявляти закономірності в пристрої об’єктів і будувати досить точні моделі навіть за неповними даними (наприклад, коли немає можливості розглянути об’єкт з усіх сторін). Однак Джастін Вуд з Університету Південної Каліфорнії показав, що ця здатність мозку є вродженою і не вимагає ні наявності будь-якого зорового досвіду, ні навіть всебічного дослідження об’єкта, модель якого необхідно побудувати.

Вчений ставив експерименти на новонароджених курчатах. Як відомо, вони мають зворушливу особливість прив’язуватися до першого об’єкта, який вони бачать у житті, приймаючи його за матір. Згодом вони намагаються проводити якомога більше часу поблизу цього об’єкта. Ця властивість називається імпрінтинг, і в звичайних обставинах вона допомагає курча запам’ятати матір і слідувати за нею, так як мати дійсно зазвичай виявляється першим об’єктом, який курча бачить після появи на світ. Вчені ж, ставлячи експерименти на курчатах, використовують цю властивість у своїх інтересах. Так, Джастін Вуд, бачачи, що курча проводить більшу частину часу у певного об’єкта, розумів, що курча запізнюється цей об’єкт як перший побачений в житті.

Рис, 2. Курча вивчає один з віртуальних об’єктів. З обговорюваної статті в PNAS

Вуд вирішив перевірити, чи здатні новонароджені курчата, у яких ще немає ніякого зорового досвіду, створювати інваріантні образи. Для цього він поставив серію експериментів. Щоб зоровий досвід, отриманий курчатами, можна було повністю контролювати, їх вирощували в спеціальних камерах, в яких нічого не було; стіни, підлога і стеля були гладкими. Єдине, на що можна було поглянути в такій камері, це проектоване на одну зі стін зображення якогось об’єкта, який постійно повертався туди-сюди на 60 ° навколо вертикальної осі (див. рис. 1, а також відео).

Таким чином, курча бачив об’єкт не з усіх боків і мав далеко не повну інформацію про його форму. У таких умовах курча містилося перший тиждень свого життя. Потім умови змінювалися: на двох протилежних стінах камери з’являлися проекції різних об’єктів: один з них був незнайомий курча, а інший — знайомий, але показаний з незнайомих курча ракурсів. Пари об’єктів були підібрані так, що проекції одного і того ж об’єкта з різних ракурсів розрізнялися між собою більше, ніж проекції двох різних об’єктів. (Ступінь відмінності між двома зображеннями обчислювався виходячи з різниці яскравостей відповідних пар пікселів; чим більша сумарна різниця яскравостей усіх пар пікселів, тим більше відрізняються два зображення.) Таким чином, щоб правильно впізнати об’єкт, курча потрібно було створити його інваріантний образ, який розпізнавався б з різних ракурсів. Протягом тижня вимірювався час, який курча проводить поблизу кожної зі стін, на які проектувалися зображення, і за цими даними судили, чи правильно курча впізнав об’єкт. Вважалося, що, згідно з властивістю імпринтингу, об’єкт, у якого курча проводить більше часу, він ототожнює з першим побаченим у житті (рис. 2)

Виявилося, що в більшості випадків курчата дізнаються об’єкт безпомилково, хоча він і демонструвався їм з ракурсів, з яких вони ніколи його раніше не бачили. Природно, що з одних ракурсів знайомий об’єкт розпізнавався гірше, ніж з інших. Також помилок було більше, якщо знайомий і незнайомий об’єкти показувалися з ракурсів, з яких вони виглядали максимально схожими (рис. 3).

Рис, 3. Проекції віртуальних об’єктів, що демонструвалися курчатам в одному з експериментів (див. також відео). Вгорі — знайомий об’єкт; внизу — різні пари зображень, що проектувалися на протилежні стіни камери. Сірі стовпчики відображають кількість випадків, коли курчата вибирали цей об’єкт. Видно, що їм було складніше правильно розпізнати знайомий об’єкт, коли на вибір пропонувалися схожі зображення. При цьому ясно, що ці зображення схожі, тільки якщо уявити, як виглядає відповідна об’ємна фігура; а якщо порівнювати такі зображення попіксельно, вони будуть сильно різнитися). З обговорюваної статті в PNAS

Однак навіть у найскладніших для розпізнавання випадках курчата робили правильний вибір у 68% дослідів. Цікаво, що серед курчат були виявлені більш і менш здібні; так, систематично робили помилки тільки 6 курчат з 35 брали участь в експерименті. Оскільки цим шести курчатам демонструвався один і той же об’єкт, його форма була визнана складною для того, щоб точно побудувати його модель, маючи не всю інформацію про його форму; а курчат вважали від народження менш здатними до створення інваріантів зорового сприйняття.

Загалом експерименти показують, що новонароджені курчата мають здатність правильно створювати інваріантні образи об’єктів, навіть якщо вони не мали до цього жодного зорового досвіду і не могли побачити об’єкт з усіх боків. Важливо, що здатність правильно розпізнати об’єкт не корелювала з розрахованим попіксельною схожістю зображень, що демонструвалися в перший і другий тижні. Це говорить про те, що вже новонароджені курчата можуть ототожнювати дуже різні зображення на сітківці з одним і тим же чином, що зберігаються у них в пам’яті. Цей результат може становити особливий інтерес для розробників систем штучного зору, в яких проблема розпізнавання об’єкта незалежно від його ракурсу і відстані до нього, є особливо складною.

Що стосується людини, то поки до кінця не ясно, чи є у неї вродженою здатність інваріантного зорового сприйняття. Немає особливих підстав думати, що новонароджене немовля відстає від курча в умінні будувати моделі спостережуваних об’єктів; до того ж, зростає кількість свідчень того, що курчата і люди використовують подібні механізми для обробки сенсорної інформації. Однак поставити на новонароджених чистий експеримент з обмеженням зорового досвіду в перший тиждень життя не вийде (це може погано вплинути на подальший розвиток дитини), та й визначити, чи дізналося немовля об’єкт, буде непросто. Тому подібні експерименти проводилися на дітях у віці декількох місяців і старше, які вже накопичили значний зоровий досвід: зорова система у них вже досить добре «налаштована», і природно, що розпізнавання об’єктів, що демонструються з різних ракурсів, у них йде добре.

Механізми, за допомогою яких здійснюється інваріантне розпізнавання образів у мозку новонародженого курча, ще тільки належить досліджувати. За проведеними експериментами важко судити, чи будують новонароджені курчата повні моделі об’єктів або лише моделі їх окремих, найбільш характерних, частин. У будь-якому випадку, виявлення у новонароджених курчат здатності інваріантного розпізнавання зорових образів — цікаве відкриття, що розширює наші уявлення про вроджені і набуті властивості мозку.

Джерело: 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.

Юлія Кондратенко