Bewusstseinsarbeit: Was sind Gabor-Spots?

In einer meiner ersten Klassen in meinem ersten Neuroimaging-Kurs fand ein verwirrender Dialog statt.

Professor : In diesem Experiment schauen die Leute auf das Kreuz in der Mitte des Bildschirms, während links oder rechts vom Kreuz die Stelle von Gabor gezeigt wird ...
Student : Entschuldigung, was ist Gabors Platz?
Professor : Ah, nun, das ist eine Faltung einer Sinuskurve mit einer Gaußschen Kurve.

Er lächelte uns an und achtete nicht darauf, dass hinter ihm auf dem Bildschirm nur ein Bild von Gabors Fleck war. Er hob erwartungsvoll die Augenbrauen. Seine ganze Pose sagte: "Nun, ist es jetzt klar?"

Student : Ähm ...
Professor : Nein? Hier, lass mich dir zeigen.

Er ignorierte immer noch den Präsentationsbildschirm und wandte sich an die Tafel. Darauf zeichnete er eine Sinuswelle und darunter eine Gaußsche Kurve.

"Und jetzt machst du eine Faltoperation an ihnen!" [ Laut einigen Experten in den Kommentaren ist diese Funktion ein Produkt einer Gaußschen und einer Sinuswelle und keine Faltung / ca. perev. ]]

Der Student gab auf. Vielleicht hatte er einige Ideen über die mathematische Funktionsweise der Faltung, aber er hatte nicht die notwendige Intuition. Er brauchte jemanden, der einfach mit dem Finger auf die richtige Stelle auf dem Bildschirm zeigte: Dies ist Gabors Stelle.



Es könnte eine Geschichte darüber sein, wie ich mich manchmal anstelle dieses Schülers fühlte. Oder eine Geschichte über das Unterrichten. Oder vielleicht, wie absolut genaue Informationen für uns bedeutungslos erscheinen. Aber jetzt möchte ich mich auf die Tatsache konzentrieren, dass der Gabor-Punkt mehr als nur eine Faltung einer Sinuskurve mit einer Gaußschen Kurve ist.

Angenommen, Sie haben ein paar Kätzchen, die in einer Umgebung aufgezogen wurden, in der es keine anderen Orientierungspunkte als vertikale gab. Kätzchen würden nur vertikale Streifen sehen. Was passiert, wenn diese Kätzchen nach einigen Monaten freigelassen werden und mit der gewöhnlichen Welt um sie herum interagieren dürfen?



Es wird passieren, dass sie nach einem ungewissen Start lernen, mit der Außenwelt zu interagieren. Sie werden anfangen, es zu studieren, zu spielen und sich wie Kätzchen zu benehmen. Wenn sie jedoch ein langes, dünnes, horizontales Objekt erfassen - beispielsweise ein schwarzes Kabel, das über einen weißen Teppich gespannt ist - verhalten sie sich so, als ob es nicht existiert. Sie werden keine Angst haben, wenn er plötzlich in ihre Richtung geht, und werden ihn nicht packen, wenn er springen wird. Sie werden ihm selektive Blindheit zeigen, obwohl ihre Augen perfekt funktionieren werden. Die Wurzel ihrer Probleme wird im Gehirn liegen.

Der primäre visuelle Kortex - der erste einer Reihe von kortikalen Zonen, die visuelle Informationen verarbeiten - reagiert empfindlich auf die Ausrichtung der Linien. Es gibt Zellen, die als "einfach" bezeichnet werden (oder Streifendetektoren oder Gesichtsdetektoren) und die je nach Ausrichtung der Gesichter der beobachteten Objekte als Reaktion auf verschiedene Neigungsgrade aktiviert werden. Wenn wir entlang der Oberfläche des primären visuellen Kortex gehen würden, würden wir langsam von Bereichen, die für die vertikale Ausrichtung verantwortlich sind, zu Bereichen gehen, die auf immer breitere und größere Neigungswinkel abgestimmt sind. Dies bedeutet, dass eine Gruppe von Zellen sehr aktiv wird, wenn sie eine vertikale Linie sieht, die andere - wenn sie leicht geneigt ist und eine andere auf eine horizontale Linie reagiert. Zellen, die auf eine vertikale Ausrichtung „abgestimmt“ sind, reagieren immer noch auf nicht so vertikale Linien, die immer kleiner werden, abhängig vom Unterschied zwischen der „bevorzugten“ vertikalen Ausrichtung und der sichtbaren.


Empfindlichkeit eines auf vertikale Streifen abgestimmten Neurons als Funktion der Streifenorientierung

Bei Kätzchen reagierten die Zellen, die für die horizontale Ausrichtung verantwortlich sein sollten, aufgrund sensorischer Deprivation während der kritischen Entwicklungsphase auf andere Orientierungen. Sie hatten keine Zellen, die auf horizontale Reize reagierten, so dass in diesem Stadium der Neuroverarbeitung das visuelle Signal erlischt.

Nachdem wir diese Orientierungsorientierung kennengelernt haben, können wir beginnen, eines der Wahrnehmungsphänomene zu verstehen. Wenn wir den orientierten Streifen lange Zeit auf die gleiche Weise betrachten, nimmt unsere Fähigkeit, die Steigung nachfolgender, ungefähr gleicher orientierter Streifen zu beurteilen, für eine Weile ab, aber dieser Effekt wird durch die stärker geneigten Streifen abgeschwächt. Jetzt wissen wir, dass dies auf die Ermüdung von Neuronen zurückzuführen ist - je mehr ein Neuron aktiviert wird, desto müder wird es später und desto weniger kann es Orientierungsinformationen genau übertragen.

Woher wissen wir das? Dank Tausenden von Experimenten mit Gabor-Spots. Gabor-Spots sind Reize, die die frühe visuelle Aktivität auf kontrollierte Weise steuern. Sie sehen aus wie eine Folge von schwarzen und weißen Streifen und können auf jede Art und Weise ausgerichtet werden. Sie können gut oder schlecht unterscheidbar gemacht werden, groß oder klein, rotierend oder bewegungslos. Sie müssen sich in einem Visualisierungslabor befinden.

An diesem Tag in der Klasse stieß ich auf einen Fehler, ein Missverständnis. Mein Professor wollte nicht um das Bewusstsein herumkommen oder argumentieren, dass die Wahrnehmung mit einer physischen Beschreibung der Stimulation endet. Er ging einfach davon aus, dass der Schüler sich der Orientierungsorientierung bewusst war, und versuchte, zusätzliche Informationen bereitzustellen.

Gabor-Spots steuern jedoch nicht nur den primären visuellen Kortex. Die Eigenschaften der primären Verarbeitung visueller Informationen haben einen enormen Einfluss darauf, wie wir das Gehirn als Ganzes visualisieren. Sie unterstützen unsere Überzeugung, dass es irgendwo einen Neurocode gibt, um Zeit, Raum, unsere Position im Raum, die Bedeutung von Wörtern, die Schönheit von Melodien, komplexe Emotionen wie den Schmerz der sozialen Ablehnung, die Fähigkeit, die Gedanken anderer Menschen zu beurteilen, Selbstbewusstsein, politische Abhängigkeiten, zu erfassen. Charakterzug. Diese Nervenschemata mögen für uns als Beobachter schwer zu unterscheiden sein, aber wir glauben, dass der Code im Inneren verborgen ist und bereit ist, ihn herauszuholen und zu analysieren, ihn mit einem der kognitiven Konzepte zu vergleichen und dass die Arbeit des Bewusstseins im Prinzip perfekt aufeinander abgestimmt werden kann mit Regeln für die Arbeit von Neuronen. Wenn wir noch weiter träumen, sollte es nach dem Knacken dieses Codes möglich sein, Maschinen zu bauen, die in der Lage sind, Informationen zu verarbeiten, die nicht schlechter als wir sind und in dieser Hinsicht nicht von uns zu unterscheiden sind.

Niemand hält diese Aufgabe für einfach. Selbst bei „einfachen Zellen“ erweist sich die Realität als viel komplizierter, als einem Neuron einerseits die Rolle zuzuweisen, Orientierung zu erkennen und andererseits mit Empfindungen in Verbindung zu stehen. Erstens sind Empfindungen nicht mit einzelnen Neuronen verbunden, sondern mit der relativen Anzahl von Aktivitäten in Neuronen, die unterschiedliche Orientierungen bevorzugen. Der Zusammenhang zwischen Empfindungen und dieser Aktivitätsverteilung ist nicht direkt. Wenn wir einen vertikalen Streifen betrachten und unseren Kopf oder Körper zur Seite neigen, so dass der Streifen relativ zu unseren Augen nicht vertikal ist, müssen Neuronen arbeiten, die eine geneigte Position bevorzugen. Tatsächlich bleibt dieser Streifen für uns jedoch weiterhin vertikal, gemessen an den Neuronen des primären visuellen Kortex (und wir nehmen ihn vertikal wahr). Dies liegt an der Tatsache, dass vestibuläre Informationen mit Orientierungsinformationen verknüpft sind und diese korrigieren. Darüber hinaus sind auch Orientierung und Raum miteinander verbunden: Eine Folge von immer mehr geneigten Orientierungen, die die Oberfläche des primären visuellen Kortex punktieren, wird dort viele Male wiederholt. Auf diese Weise können Sie die Neigung in verschiedenen Bereichen des Sichtfelds angemessen erkennen. Einfache Zellen verarbeiten nicht nur diese Informationen - zum Beispiel die gesamte Belegung des Sichtfelds - und der Gabor-Punkt mit einer großen Anzahl dünner Streifen wird anders wahrgenommen als ein Punkt mit einer kleinen Anzahl breiter Streifen. In einigen einfachen Zellen sind die Anpassungslinien breit, in anderen werden schmale verwendet. Einige werden Informationen aus der vorherigen Verarbeitungsstufe fast additiv in den Thalamus einbetten, während andere komplexere Berechnungen verwenden. Darüber hinaus unterdrücken sich einfache Zellen selektiv gegenseitig, und außerdem passt sich ihre Aktivität flexibel an die Daten an, die aus Bereichen höherer Ordnung empfangen werden. Stellen Sie sich vor, was passieren würde, wenn sie nicht „einfach“ wären!

Trotz aller Schwierigkeiten ist die Beziehung zwischen der Ausrichtung der Linien und der Nervenaktivität sowie zwischen der Nervenaktivität und den Empfindungen recht einfach. So sehr, dass eine Fehlfunktion der Empfindungen es uns ermöglichen kann, vernünftige Annahmen über die Funktionsweise des Gehirns zu treffen, wie im Fall einer Illusion an einer Caféwand, bei der der umgebende visuelle Kontext unser Orientierungsgefühl beeinflusst - möglicherweise im Zusammenhang mit lokaler Unterdrückung.


Die Ziegel wirken trapezförmig und die Naht geneigt, obwohl die Ziegel tatsächlich rechteckig sind und die Naht parallel zum Boden verläuft.

Kann man erwarten, dass solche direkten Verbindungen zwischen kognitiven Prozessen und nervöser Aktivität die Norm sind? Man kann oft sehen, wie Orientierungsabstimmung als Einführung in allgemeinere Vorstellungen über den Zweck des Gehirns beschrieben wird - als prototypisches Beispiel für die Funktionsweise des Gehirns. Außerdem beginnt die Forschung häufig mit allgemeinen kognitiven Fragen (Wie bestimmen wir unser Auto anhand von Hunderten von Autos auf dem Parkplatz? Wie navigieren wir auf einer belebten Straße? Warum ist es überraschend, wenn eine Langzeitlärmquelle plötzlich aufhört zu sprechen?) Und endet mit einem sehr kleinen Arbeitsaufwand Neuronen, die die Ergebnisse eines Experiments beschreiben. Für die Uneingeweihten mag es so aussehen, als ob die Zusammenhänge mit kognitiven Phänomenen als so offensichtlich angesehen werden, dass sie nicht weiter beschrieben werden müssen. Tatsächlich ist dies höchstwahrscheinlich auf die Überzeugung zurückzuführen, dass der Raum zwischen nervöser Aktivität und kognitiver Verarbeitung im Prinzip ausgefüllt werden kann und dass wir ihn nach und nach mit Schwierigkeiten vollständig ausfüllen werden - wie am Beispiel der Orientierungsanpassung zu sehen ist.

Mit der zunehmenden Komplexität der von uns untersuchten Phänomene wächst jedoch auch die Komplexität der Herstellung von Verbindungen zwischen Neuronen und intelligenter Aktivität sehr schnell. Der größte Teil des Orientierungssinns beruht sehr bequem auf der Aktivität einfacher Zellen im primären visuellen Kortex, aber es wäre schrecklich unzureichend, den Lernprozess einfach durch die Plastizität von Synapsen zu bestimmen. Selbst wenn wir die gesamte Aktivität von Neuronen vollständig und genau beschreiben, müssen wir einen grundlegenden Weg finden, um sie mit dem Geist zu verbinden, und diese Methode erscheint fast nie, weil wir das Nervengewebe sehr genau untersuchen.

Wenn wir uns fragen, ob wir uns bei nervösen Aktivitäten auf mentale Phänomene verlassen, lautet die Antwort definitiv „Ja“. In diesem Sinne kann jede rationale Aktivität auf einfache, greifbare und konsistente Bausteine ​​reduziert werden, die auf der Grundlage einer endlichen Anzahl klarer Richtlinien kombiniert werden. Aus dieser Einfachheit ergibt sich jedoch eine unerwartete Komplexität. In diesem Sinne kann Training im Prinzip auf Nervenebene beschrieben werden, und wir können im Prinzip Maschinen bauen, die so bewusst sind wie wir. Die Aktivität einfacher Zellen, die sich beim Betrachten von Gabor-Spots manifestiert, ist ein gutes Beispiel dafür, wie dies mit der Geistesfunktion jeder Komplexität funktionieren kann.

Andererseits treten einige wichtige Phänomene sowohl innerhalb als auch zwischen Menschen auf. Unser Identitätsgefühl ist zum Beispiel eine Mischung aus persönlichen Qualitäten und wie sie sich von den Qualitäten anderer Menschen unterscheiden. Eine meiner bemerkenswerten Eigenschaften ist, dass ich ein Ausländer bin. Dies spiegelt sich darin wider, wie ich bestimmte Informationen in Bezug auf die Einheimischen verarbeite. Zum Beispiel kann ich bestimmte Geräusche mit lokalem Akzent nicht unterscheiden, weil ich nicht mitgewachsen bin und ihr Signal in meinem auditorischen Kortex genauso abfällt wie die horizontale Ausrichtung dieser unglücklichen Kätzchen. Meine Zugehörigkeit zu Ausländern kann in Bezug auf Unterschiede in der Nervenaktivität und vielleicht sogar mit großer Genauigkeit diskutiert werden, aber ist es vernünftig, dies zu tun? Meine Unterschiede zu den Einheimischen werden unterschiedlich sein, wenn ich von einem Land in ein anderes ziehe, und in jedem Land können sich andere Ausländer in einer Weise von den Einheimischen unterscheiden, die in keiner Weise mit mir verbunden ist. Es ist sinnvoller, solche Unterschiede auf Nervenebene als Funktion kultureller Unterschiede zu diskutieren, als als Funktion des fremden Gehirns, das den fremden Geist erzeugt. Ich habe kein fremdes Gehirn: Ich habe ein Gehirn und ich bin ein Ausländer. Im Endeffekt kann jede Symbolisierung als Ergebnis einer Kultur betrachtet werden, die mit der Zugehörigkeit zu Ausländern vergleichbar ist, und kann daher nicht als Merkmal des Gehirns bezeichnet werden. Und für rationale Aktivitäten ist Symbolisierung erforderlich.

Menschen, die daran interessiert sind, was an diesen beiden Enden des Spektrums geschieht - kognitive Phänomene auf nervöse Aktivität reduzieren und diese Phänomene durch kulturelle und zwischenmenschliche Linsen brechen -, betrachten die entgegengesetzte Position als wahr, aber trivial, ohne Erklärungsfähigkeit. Es scheint mir, dass dies auf eine Meinungsverschiedenheit zwischen der Natur der Kausalzusammenhänge und der Frage zurückzuführen ist, ob sie sich in eine oder in viele Richtungen entwickeln können. In jedem Fall ist die Beziehung zwischen der nervösen und der kognitiven Seite derselben Medaille voller Feinheiten.

Wenn wir diese Feinheiten untersuchen, können wir fragen, ob es möglich ist, irgendwelche mentalen Phänomene einer Person mit präzisen, nicht zeitlich variierenden Nervenzuständen in Verbindung zu bringen, und können wir daher immer einen Nervenzustand verwenden, um ein kognitives Ergebnis zu beschreiben. Die Antwort auf diese Frage wird negativ sein. Viele nervöse Zustände können zu demselben kognitiven Ergebnis führen (Sie können ein mathematisches Problem lösen, das auf einem Sinn für Zahlen, auf der Visualisierung, auf der Möglichkeit der Verbalisierung basiert), und verschiedene kognitive Ergebnisse können aus einem Zustand fließen (zum Beispiel kann Ihre freudige Erregung in Euphorie oder in Euphorie fließen Bedenken).

Aber vielleicht verbirgt sich in dieser Variabilität eine Art von inhärenter nervöser Aktivität, oder geht diese Aktivität in den einen oder anderen Zustand über, je nachdem, was das Gehirn tut? Wenn wir diese nervöse Hintergrundaktivität vollständig beschreiben könnten, könnten wir dann genau herausfinden, welche mentale Aktivität sich manifestieren wird? Möglicherweise. Aber höchstwahrscheinlich arbeiten die Eigenschaften des Bewusstseins nach ihren eigenen Regeln, die auf der unteren Ebene nicht existieren. Zum Beispiel kann in den Worten, die der andere aus dem einen folgt, eine Bedeutung vorhanden sein, und in den Worten, dass das nervöse Bild, das zum ersten Gedanken führte, ein nervöses Bild hervorrief, das zum zweiten Gedanken führte, gibt es möglicherweise keinen Sinn. Ohne eine Beschreibung der Gedanken sind die Zusammenhänge zwischen den beiden Nervenmustern überhaupt nicht offensichtlich. Dies bedeutet, dass die Art und Weise, den Geist zu organisieren, möglicherweise nicht die beste Anleitung zur Organisation des Gehirns ist - es kann sein, dass der Geist seine eigene Meinung hat.

Umgekehrt sind unsere Annahmen, dass neuronale Effekte lediglich kognitive Phänomene beschreiben, nicht gegeben, und Annahmen über die Verbindungen zwischen Neuronen und Gedanken können nicht oberflächlich getroffen werden. Persönlich versuche ich mich am Ende meiner Arbeit zur kognitiven Neurobiologie zu fragen, ob ich jetzt etwas Neues über kognitive Phänomene sagen kann, deren Studien in dieser Arbeit angegeben wurden, ohne das Gehirn zu berühren. Wenn ich das nicht kann, war der Verstand wahrscheinlich nicht der Hauptheld dieser Geschichte - es war nur ein unterstützender Held. Dieses Prinzip hilft mir, mich daran zu erinnern, dass nervöse Aktivität die Arbeit des Geistes in demselben Sinne ist, wie Gabors Fleck eine Faltung einer Sinuskurve mit einer Gaußschen Kurve ist: nervöse Aktivität erklärt die Arbeit des Geistes mit bedingungslos wahren Konzepten, die gleichzeitig bedingungslos begrenzt sind.