Travail de conscience: quels sont les spots de Gabor?

Dans l'un de mes premiers cours dans mon premier cours de neuroimagerie, un dialogue confus a eu lieu.

Professeur : dans cette expérience, les gens regardent la croix au centre de l'écran, tandis qu'à gauche ou à droite de la croix on leur montre le spot de Gabor ...
Étudiant : désolé, quelle est la place de Gabor?
Professeur : Ah, eh bien, c'est une convolution d'une sinusoïde avec une courbe gaussienne.

Il nous sourit, sans prêter attention au fait que derrière lui sur l'écran était juste une image de la tache de Gabor. Il haussa les sourcils dans l'expectative. Sa pose entière a dit: "Eh bien, maintenant est-ce clair?"

Étudiant : Umm ...
Professeur : Non? Ici, laissez-moi vous montrer.

Ignorant toujours l'écran de présentation, il se tourna vers le tableau. Sur elle, il a dessiné une onde sinusoïdale, et sous elle une courbe gaussienne.

"Et maintenant vous faites une opération de pliage sur eux!" [ selon certains experts dans les commentaires, cette fonction est le produit d'une onde gaussienne et sinusoïdale, et non d'une convolution / env. perev. ]

L'élève a abandonné. Peut-être avait-il des idées sur le fonctionnement mathématique de la convolution, mais il n'avait pas l'intuition nécessaire. Il avait besoin que quelqu'un pointe simplement son doigt au bon endroit sur l'écran: c'est l'endroit de Gabor.



Cela pourrait être une histoire sur ce que je ressentais parfois à la place de cet élève. Ou une histoire sur l'enseignement. Ou, peut-être, comment des informations absolument précises peuvent nous sembler dénuées de sens. Mais maintenant, je voudrais me concentrer sur le fait que le point de Gabor est plus qu'une simple convolution d'une sinusoïde avec une courbe gaussienne.

Supposons que vous ayez un tas de chatons qui ont été élevés dans un environnement où il n'y avait aucun point de repère autre que vertical. Les chatons ne verraient que des rayures verticales. Que se passe-t-il si, après quelques mois, ces chatons sont libérés et autorisés à interagir avec le monde ordinaire qui les entoure?



Il arrivera qu'après un début incertain, ils apprendront à interagir avec le monde extérieur. Ils commenceront à l'étudier, à jouer, à se comporter comme des chatons. Mais s'ils attrapent un objet long, mince et horizontal - par exemple, un câble noir tendu sur un tapis blanc, ils se comporteront comme s'il n'existait pas. Ils n'auront pas peur s'il va soudainement dans leur direction et ne l'attrapera pas s'il saute. Ils lui montreront une cécité sélective, bien que leurs yeux fonctionnent parfaitement. La racine de leurs problèmes sera dans le cerveau.

Le cortex visuel primaire - le premier d'une série de zones corticales qui traitent les informations visuelles - est sensible à l'orientation des lignes. Il existe des cellules dites «simples» (ou détecteurs à bande, ou détecteurs de visages), qui sont activées en réponse à différents degrés d'inclinaison, selon l'orientation des faces des objets observés. Si nous marchions le long de la surface du cortex visuel primaire, nous marcherions lentement des zones responsables de l'orientation verticale vers des zones réglées sur des angles d'inclinaison toujours plus larges et plus grands. Cela signifie qu'un groupe de cellules devient très actif lorsqu'il voit une ligne verticale, l'autre - s'il est légèrement incliné, et qu'un autre réagit à une ligne horizontale. Les cellules qui sont «accordées» à une orientation verticale répondront toujours en réponse à des lignes pas si verticales, juste de plus en plus petites, selon la différence entre l'orientation verticale «préférée» et la visible.


Sensibilité d'un neurone accordé aux bandes verticales en fonction de l'orientation de la bande

Dans le cas des chatons, les cellules qui étaient censées être responsables de l'orientation horizontale ont commencé à répondre à d'autres orientations en raison de la privation sensorielle pendant la période critique de développement. Ils n'avaient pas de cellules qui répondent aux stimuli horizontaux, donc à ce stade du neurotraitement, le signal visuel s'éteint.

Ayant appris cette orientation d'orientation, nous pouvons commencer à comprendre l'un des phénomènes liés à la perception. À savoir, si nous regardons la bande orientée de la même manière pendant une longue période, notre capacité à juger la pente des bandes orientées suivantes diminuera pendant un certain temps, mais cet effet sera affaibli par les bandes plus inclinées. Nous savons maintenant que cela est dû à la fatigue des neurones - plus un neurone s'active, plus il sera fatigué plus tard et moins il aura la capacité de transmettre avec précision des informations d'orientation.

Comment le savons-nous? Merci à des milliers d'expériences avec des spots Gabor. Les taches de Gabor sont des stimuli qui contrôlent l'activité visuelle précoce de manière contrôlée. Ils ressemblent à une séquence de rayures noires et blanches, et ils peuvent être orientés de n'importe quelle manière, ils peuvent être bien ou mal distingués, grands ou petits, rotatifs ou immobiles. Ils doivent être dans n'importe quel laboratoire de visualisation.

Ce jour-là, en classe, j'ai rencontré une erreur, un malentendu. Mon professeur ne voulait pas contourner la conscience, ni argumenter que la perception se termine sur une description physique de la stimulation. Il a simplement supposé que l'élève était au courant de l'orientation et a essayé de fournir des informations supplémentaires.

Mais les spots de Gabor ne contrôlent pas seulement le cortex visuel primaire. Les propriétés du traitement primaire de l'information visuelle ont un effet énorme sur la façon dont nous visualisons le cerveau dans son ensemble. Ils soutiennent notre conviction qu'il existe quelque part un neurocode pour détecter le temps, l'espace, notre position dans l'espace, le sens des mots, la beauté des mélodies, des émotions complexes comme la douleur du rejet social, la capacité de juger les pensées des autres, la conscience de soi, les dépendances politiques, trait de caractère. Ces schémas nerveux peuvent être difficiles à distinguer pour nous, en tant qu'observateurs, mais nous pensons que le code est caché à l'intérieur, et est prêt pour nous à le sortir et à l'analyser, à le comparer avec l'un des concepts cognitifs, et que le travail de la conscience peut, en principe, être parfaitement adapté avec des règles régissant le travail des neurones. Si nous rêvons encore plus loin, après avoir déchiffré ce code, il devrait devenir possible de construire des machines capables de traiter des informations pas pire que nous, et qui ne se distinguent pas de nous à cet égard.

Personne ne considère que cette tâche est simple. Même dans le cas des «cellules simples», la réalité s'avère beaucoup plus compliquée que de simplement attribuer à un neurone le rôle de reconnaître l'orientation d'une part, et sa connexion avec les sensations de l'autre. Tout d'abord, les sensations ne sont pas associées à des neurones individuels, mais au nombre relatif d'activités dans les neurones qui préfèrent des orientations différentes. Le lien entre les sensations et cette répartition de l'activité n'est pas direct. Si nous regardons une bande verticale et inclinons notre tête ou notre corps sur le côté afin que la bande par rapport à nos yeux ne soit pas verticale, les neurones qui préfèrent une position inclinée devront travailler. Mais en fait, cette bande continue de rester verticale pour nous, à en juger par les neurones du cortex visuel primaire (et nous la percevons verticalement). Cela est dû au fait que les informations vestibulaires sont associées aux informations d'orientation et les corrigent. De plus, l'orientation et l'espace sont également interconnectés: une séquence d'orientations de plus en plus inclinées, parsemant la surface du cortex visuel primaire, y est répétée plusieurs fois. Cela vous permet de reconnaître correctement la pente dans différentes zones du champ de vision. Les cellules simples traitent non seulement ces informations - mais, par exemple, l'occupation totale du champ de vision - et le spot de Gabor avec un grand nombre de bandes minces sera perçu différemment d'un spot avec une petite quantité de larges. Dans certaines cellules simples, les lignes de réglage seront larges, d'autres utiliseront des lignes étroites. Certains intégreront des informations du niveau précédent de son traitement, dans le thalamus , presque de manière additive, tandis que d'autres utiliseront des calculs plus complexes. Et en plus de tout cela, les cellules simples se suppriment sélectivement les unes des autres et, en outre, leur activité s'adapte de manière flexible en fonction des données reçues des zones d'ordre supérieur. Imaginez ce qui se passerait s'ils n'étaient pas «simples»!

Mais, malgré toutes les difficultés, la relation entre l'orientation des lignes et l'activité nerveuse, et entre l'activité nerveuse et les sensations est assez simple. À tel point qu'un dysfonctionnement des sensations peut nous permettre de faire des hypothèses raisonnables sur le fonctionnement du cerveau, comme dans le cas d'une illusion sur un mur de café, où le contexte visuel environnant affecte notre sens de l'orientation - peut-être dû à une suppression locale.


Les briques semblent trapézoïdales et la couture inclinée, bien qu'en fait les briques soient rectangulaires et la couture parallèle au sol.

Peut-on s'attendre à ce que ces liens directs entre les processus cognitifs et l'activité nerveuse soient la norme? On peut souvent voir comment le réglage de l'orientation est décrit comme une introduction à des idées plus générales sur le but du cerveau - comme un exemple prototypique du fonctionnement du cerveau. De plus, la recherche commence souvent par des questions cognitives générales (comment déterminer notre voiture à partir de centaines de voitures dans un parking? Comment naviguons-nous le long d'une rue animée? Pourquoi est-il surprenant lorsqu'une source de bruit à long terme s'arrête soudainement?), Et se termine sur une très petite échelle de travail neurones décrivant les résultats d'une expérience. Pour les non-initiés, il peut sembler que les liens avec les phénomènes cognitifs sont considérés comme si évidents qu'ils n'ont pas besoin d'être décrits davantage. En fait, cela est probablement dû à la croyance que l'espace entre l'activité nerveuse et le traitement cognitif peut être rempli en principe, et que progressivement, avec difficulté, nous le remplirons complètement - comme on peut le voir dans l'exemple de l'ajustement de l'orientation.

Cependant, avec la complexité croissante des phénomènes étudiés par nous, la complexité de l'établissement de connexions entre les neurones et l'activité intelligente croît également très rapidement. La plus grande partie du sens de l'orientation repose très facilement sur l'activité de cellules simples dans le cortex visuel primaire, mais il serait terriblement inadéquat de déterminer le processus d'apprentissage simplement par la plasticité des synapses. Même si nous décrivons de manière complète et précise toute l'activité des neurones, nous devrons trouver un moyen fondamental de les connecter à l'esprit, et cette méthode n'apparaît presque jamais car nous examinons de très près le tissu nerveux.

Si nous nous demandons si nous dépendons des phénomènes mentaux pour l'activité nerveuse, alors la réponse sera certainement «oui». En ce sens, toute activité rationnelle peut être réduite à des blocs de construction simples, tangibles et cohérents qui se combinent sur la base d'un nombre fini de directives claires. Mais de cette simplicité surgit une complexité inattendue. En ce sens, l'entraînement peut, en principe, être décrit au niveau nerveux, et nous, en principe, pouvons construire des machines aussi conscientes que nous. L'activité des cellules simples, qui se manifeste lors de la visualisation des spots de Gabor, est un bon exemple de la façon dont cela peut fonctionner avec la fonction mentale de toute complexité.

D'un autre côté, certains phénomènes importants se produisent à la fois au sein des personnes et entre elles. Notre sens de l'identité, par exemple, est un mélange de qualités personnelles et de la façon dont elles diffèrent des qualités des autres. L'une de mes propriétés notables est que je suis un étranger. Cela se reflète dans la façon dont je traite certaines informations relatives aux habitants. Par exemple, je ne peux pas distinguer certains sons émis avec un accent local, car je n'ai pas grandi avec eux, et leur signal se désintègre dans mon cortex auditif tout comme l'orientation horizontale de ces malheureux chatons. Mon appartenance à des étrangers peut être discutée en termes de différences d'activité nerveuse, et peut-être même avec une grande précision, mais est-il raisonnable de le faire? Mes différences avec les locaux différeront si je déménage d'un pays à un autre, et dans n'importe quel pays, les étrangers peuvent différer des locaux d'une manière qui ne me concerne en aucune façon. Il est plus logique de discuter de telles différences au niveau nerveux en fonction des différences culturelles, plutôt qu'en fonction du cerveau étranger qui génère l'esprit étranger. Je n'ai pas de cerveau étranger: j'ai un cerveau et je suis étranger. À la limite, toute symbolisation peut être considérée comme le résultat d'une culture comparable à l'appartenance à des étrangers, et ne peut donc pas être qualifiée de caractéristique du cerveau. Et pour une activité rationnelle, la symbolisation est nécessaire.

Les personnes intéressées par ce qui se passe à ces deux extrémités du spectre - réduire les phénomènes cognitifs à l'activité nerveuse et réfracter ces phénomènes à travers des lentilles culturelles et interpersonnelles - considèrent la position opposée comme vraie, mais triviale, dépourvue de capacité explicative. Il me semble que cela peut être dû à un désaccord entre la nature des relations causales et si elles peuvent se développer dans une direction ou dans plusieurs. En tout cas, la relation entre les côtés nerveux et cognitif d'une même pièce est pleine de subtilités.

En étudiant ces subtilités, nous pouvons nous demander s'il est possible de relier les phénomènes mentaux d'une personne avec des états nerveux exacts qui ne varient pas dans le temps et, par conséquent, si nous pouvons toujours utiliser un état nerveux pour décrire un résultat cognitif. La réponse à cette question sera négative. De nombreuses conditions nerveuses peuvent conduire au même résultat cognitif (vous pouvez résoudre un problème mathématique basé sur un sens des nombres, sur la visualisation, sur la possibilité de verbalisation), et divers résultats cognitifs peuvent découler d'un état (par exemple, votre excitation joyeuse peut se transformer en euphorie ou en préoccupation).

Mais peut-être qu'une sorte d'activité nerveuse inhérente se cache dans cette variabilité, ou cette activité entre-t-elle dans un état ou un autre, selon ce que fait le cerveau? Si nous pouvions décrire pleinement cette activité nerveuse de fond, pourrions-nous savoir exactement quelle activité mentale se manifestera? C'est possible. Mais, très probablement, les propriétés de la conscience fonctionnent selon leurs propres règles, qui n'existent pas au niveau inférieur. Par exemple, dans les mots que l'autre découle de l'un, il peut y avoir un sens, et dans les mots que l'image nerveuse qui a conduit à la première pensée a donné naissance à une image nerveuse qui a conduit à la seconde pensée, il peut ne pas y avoir de sens. Sans description des pensées, les liens entre les deux schémas nerveux ne sont pas du tout évidents. Cela signifie que la façon d'organiser l'esprit peut ne pas être le meilleur guide pour organiser le cerveau - il se peut que l'esprit ait sa propre opinion.

Inversement, nos hypothèses selon lesquelles les effets neuronaux décrivent simplement des phénomènes cognitifs ne sont pas données, et les hypothèses sur les connexions entre les neurones et les pensées ne peuvent pas être prises superficiellement. Personnellement, lorsque j'arrive à la fin de mes travaux sur la neurobiologie cognitive, j'essaie de me demander si je peux maintenant dire quelque chose de nouveau sur les phénomènes cognitifs, dont les études ont été énoncées dans ce travail sans toucher le cerveau. Si je ne peux pas faire cela, alors probablement l'esprit n'était pas le héros principal de cette histoire - c'était seulement un héros de soutien. Ce principe m'aide à me rappeler que l'activité nerveuse est l'œuvre de l'esprit au même titre que la tache de Gabor est une convolution d'une sinusoïde avec une courbe gaussienne: l'activité nerveuse explique le travail de l'esprit avec des concepts inconditionnellement vrais, qui en même temps sont inconditionnellement limités.