Visual Cortex Tua percepção para corresponder aos objetivos atuais

Quando você vê um saco de cenouras no supermercado, sua mente vai para batatas e pastinagas ou asas de búfalo e aipo?

Depende, é claro, se você está fazendo um saudável ensopado de inverno ou se preparando para assistir ao Super Bowl.

A maioria dos cientistas concorda que a categorização de um objeto-como pensar em uma cenoura como um vegetal de raiz ou um lanche da parte-é o trabalho do córtex pré-frontal, a região do cérebro responsável pelo raciocínio e outras funções de alto nível que nos tornam inteligentes e sociais. Nessa conta, os olhos e as regiões visuais do cérebro são como uma câmera de segurança coletando dados e processando -os de maneira padronizada antes de passá -lo para análise.

No entanto, um novo estudo liderado pelo engenheiro biomédico e neurocientista Nuttida Rungratsameetaweemana, professor assistente da Columbia Engineering, mostra que as regiões visuais do cérebro tocam e ativo papel em entender a informação. Fundamentalmente, a maneira como interpreta as informações depende do que o resto do cérebro está trabalhando.

Se for domingo do Super Bowl, o sistema visual vê essas cenouras em uma bandeja vegetariana antes que o córtex pré -frontal saiba que eles existem.

Publicado em 11 de abril em Comunicações da naturezao estudo fornece algumas das evidências mais claras do que os primeiros sistemas sensoriais desempenham um papel na tomada de decisões-e que eles se adaptam em tempo real. Ele também aponta para novas abordagens para projetar sistemas de IA que possam se adaptar a situações novas ou inesperadas.

Sentamos com RunGratSameetaweemana para aprender mais sobre a pesquisa.

O que é emocionante nesse novo estudo?

Nossas descobertas desafiam a visão tradicional de que as primeiras áreas sensoriais no cérebro estão simplesmente “procurando” ou “gravar” informações visuais. De fato, o sistema visual do cérebro humano reformula ativamente como representa exatamente o mesmo objeto, dependendo do que você está tentando fazer. Mesmo em áreas visuais muito próximas das informações brutas que entram nos olhos, o cérebro tem a flexibilidade de ajustar sua interpretação e respostas com base na tarefa atual. Isso nos dá uma nova maneira de pensar na flexibilidade no cérebro e abre idéias sobre como potencialmente construir sistemas de IA mais adaptativos modelados após essas estratégias neurais.

Como você chegou a essa conclusão surpreendente?

A maioria dos trabalhos anteriores analisou como as pessoas aprendem as categorias ao longo do tempo, mas este estudo aumenta a peça de flexibilidade: como o cérebro muda rapidamente entre diferentes maneiras de organizar as mesmas informações visuais?

Como foram seus experimentos?

Utilizamos a ressonância magnética funcional (fMRI) para observar a atividade cerebral das pessoas enquanto elas colocam formas em diferentes categorias. A reviravolta foi que as “regras” para categorizar as formas continuavam mudando. Isso vamos determinar se o córtex visual estava mudando como representava as formas, dependendo de como havíamos definido as categorias.

Analisamos os dados usando ferramentas de aprendizado de máquina computacional, incluindo classificadores multivariados. Essas ferramentas nos permitem examinar padrões de ativação cerebral em resposta a diferentes imagens de forma e medir a claridade do cérebro distingue formas em diferentes categorias. Vimos que o cérebro responde de maneira diferente, dependendo de quais categorias nossos participantes estavam classificando as formas.

O que você viu nos dados desses experimentos?

Atividade no sistema visual – incluindo os córtices visuais primários e secundários, que lidam com dados diretamente dos olhos – mudou com praticamente todas as tarefas. Eles reorganizaram sua atividade, dependendo de quais regras de decisão as pessoas estavam usando, o que foi mostrado pelos padrões de ativação do cérebro se tornando mais distintos quando uma forma estava perto da área cinzenta entre as categorias. Essas eram as formas mais difíceis de distinguir, então é exatamente quando o processamento extra seria mais útil.

Na verdade, poderíamos ver padrões neurais mais claros nos dados de fMRI nos casos em que as pessoas fizeram um trabalho melhor nas tarefas. Isso sugere que o córtex visual pode nos ajudar a resolver tarefas de categorização flexíveis.

Quais são as implicações dessas descobertas?

A cognição flexível é uma marca registrada da cognição humana, e até os sistemas de IA de última geração atualmente ainda lutam com o desempenho flexível da tarefa. Nossos resultados podem contribuir para a criação de sistemas de IA que podem se adaptar melhor a novas situações. Os resultados também podem contribuir para entender como a flexibilidade cognitiva pode quebrar em condições como TDAH ou outros distúrbios cognitivos. É também um lembrete de quão notáveis ​​e eficientes são nossos cérebros, mesmo nos estágios iniciais do processamento.

O que vem a seguir para esta linha de pesquisa?

Estamos empurrando ainda mais a neurociência estudando como a codificação flexível funciona no nível dos circuitos neurais. Com a fmri, estávamos olhando grandes populações de neurônios. Em um novo estudo de acompanhamento, estamos investigando os mecanismos de circuito de codificação flexível, registrando a atividade neurológica dentro do crânio. Isso nos permite perguntar como os neurônios individuais e os circuitos neuronais no cérebro humano sustentam o comportamento flexível e direcionado a objetivos.

Também estamos começando a explorar como essas idéias podem ser úteis para sistemas artificiais. Os seres humanos são realmente bons em se adaptar a novos objetivos, mesmo quando as regras mudam, mas os sistemas atuais de IA geralmente lutam com esse tipo de flexibilidade. Esperamos que o que estamos aprendendo com o cérebro humano possa nos ajudar contextos.