Trabalho de consciência: o que são manchas de Gabor?

Em uma das minhas primeiras aulas no meu primeiro curso de neuroimagem, ocorreu um diálogo confuso.

Professor : neste experimento, as pessoas olham para a cruz no centro da tela, enquanto à esquerda ou direita da cruz são mostradas a mancha de Gabor ...
Aluno : desculpe, qual é o ponto de Gabor?
Professor : Ah, bem, isso é uma convolução de um sinusóide com uma curva gaussiana.

Ele sorriu para nós, sem prestar atenção ao fato de que atrás dele na tela havia apenas uma imagem do local de Gabor. Ele ergueu as sobrancelhas com expectativa. Toda a sua pose dizia: "Bem, agora está claro?"

Aluno : Umm ...
Professor : Não? Aqui, deixe-me mostrar-lhe.

Ainda ignorando a tela de apresentação, ele se virou para o quadro. Nele, ele desenhou uma onda senoidal e, embaixo, uma curva gaussiana.

"E agora você está fazendo uma operação dobrável sobre eles!" [de acordo com alguns especialistas nos comentários, essa função é um produto de uma onda senoidal e gaussiana, e não uma convolução / aprox. perev. ]

O aluno desistiu. Talvez ele tivesse algumas idéias sobre a operação matemática da convolução, mas ele não tinha a intuição necessária. Ele precisava de alguém para simplesmente apontar o dedo para o lugar certo na tela: este é o ponto de Gabor.



Pode ser uma história sobre como às vezes me senti no lugar desse aluno. Ou uma história sobre o ensino. Ou, talvez, como informações absolutamente precisas podem parecer sem sentido para nós. Mas agora eu gostaria de focar no fato de que o ponto de Gabor é mais do que apenas uma convolução de um sinusóide com uma curva gaussiana.

Suponha que você tenha um monte de gatinhos criados em um ambiente onde não havia outros marcos além da vertical. Gatinhos só veriam listras verticais. O que acontece se, após alguns meses, esses gatinhos são liberados e autorizados a interagir com o mundo comum ao seu redor?



Acontecerá que, após um início incerto, eles aprenderão a interagir com o mundo exterior. Eles vão começar a estudá-lo, brincar, se comportar como gatinhos. Mas se eles pegarem um objeto longo, fino e horizontal - por exemplo, um cabo preto esticado sobre um tapete branco, eles se comportarão como se ele não existisse. Eles não terão medo se ele repentinamente for na direção deles e não o agarrarão se ele pular. Eles lhe mostrarão cegueira seletiva, embora seus olhos funcionem perfeitamente. A raiz de seus problemas estará no cérebro.

O córtex visual primário - o primeiro de uma série de zonas corticais que processam informações visuais - é sensível à orientação das linhas. Existem células chamadas "simples" (ou detectores de faixa ou detectores de face), que são ativadas em resposta a vários graus de inclinação, dependendo da orientação das faces dos objetos observados. Se andássemos ao longo da superfície do córtex visual primário, caminharíamos lentamente de áreas responsáveis ​​pela orientação vertical para áreas sintonizadas em ângulos de inclinação cada vez maiores. Isso significa que um grupo de células se torna muito ativo quando vê uma linha vertical, o outro - se estiver levemente inclinado, e outro reage a uma linha horizontal. As células que são "ajustadas" para uma orientação vertical ainda respondem em linhas não tão verticais, apenas cada vez menores, dependendo da diferença entre a orientação vertical "preferida" e a visível.


Sensibilidade de um neurônio sintonizado em faixas verticais em função da orientação da faixa

No caso de gatinhos, as células que deveriam ser responsáveis ​​pela orientação horizontal começaram a responder a outras orientações devido à privação sensorial durante o período crítico de desenvolvimento. Eles não tinham células que respondem a estímulos horizontais; portanto, nesse estágio do neuroprocessamento, o sinal visual é emitido.

Tendo aprendido sobre essa orientação, podemos começar a entender um dos fenômenos relacionados à percepção. Ou seja, se observarmos a faixa orientada da mesma maneira por um longo tempo, nossa capacidade de julgar a inclinação das faixas subsequentes, aproximadamente as mesmas, diminuirá por um tempo, mas esse efeito será enfraquecido pelas faixas mais inclinadas. Agora sabemos que isso se deve à fadiga dos neurônios - quanto mais um neurônio se ativa, mais cansado fica mais tarde e menos ele tem a capacidade de transmitir com precisão as informações de orientação.

Como sabemos disso? Graças a milhares de experimentos com manchas de Gabor. As manchas de Gabor são estímulos que controlam a atividade visual precoce de maneira controlada. Eles se parecem com uma sequência de listras em preto e branco e podem ser orientados de qualquer maneira, podem se tornar bons ou pouco distinguíveis, grandes ou pequenos, rotativos ou imóveis. Eles devem estar em qualquer laboratório de visualização.

Naquele dia na aula, encontrei um erro, um mal-entendido. Meu professor não queria contornar a consciência, ou argumentar que a percepção termina em uma descrição física da estimulação. Ele simplesmente assumiu que o aluno estava ciente da orientação e tentou fornecer informações adicionais.

Mas as manchas de Gabor não apenas controlam o córtex visual primário. As propriedades do processamento primário de informações visuais têm um tremendo efeito sobre como visualizamos o cérebro como um todo. Eles apóiam nossa crença de que em algum lugar existe um neurocódigo para detectar tempo, espaço, nossa posição no espaço, o significado das palavras, a beleza das melodias, emoções complexas como a dor da rejeição social, a capacidade de julgar os pensamentos de outras pessoas, a autoconsciência, os vícios políticos, traço de caráter. Esses esquemas nervosos podem ser difíceis de distinguir para nós, como observadores, mas acreditamos que o código está oculto por dentro e está pronto para tirá-lo e analisá-lo, compará-lo com um dos conceitos cognitivos e que, em princípio, o trabalho da consciência pode ser perfeitamente compatível. com regras que governam o trabalho dos neurônios. Se sonharmos ainda mais, depois que decifrarmos esse código, será possível construir máquinas capazes de processar informações que não sejam piores que nós e que sejam indistinguíveis de nós a esse respeito.

Ninguém considera esta tarefa simples. Mesmo no caso de “células simples”, a realidade acaba sendo muito mais complicada do que simplesmente atribuir a um neurônio o papel de reconhecer a orientação, por um lado, e sua conexão com as sensações, por outro. Antes de tudo, as sensações estão associadas não a neurônios individuais, mas ao número relativo de atividades nos neurônios que preferem orientações diferentes. A conexão entre sensações e essa distribuição de atividade não é direta. Se olharmos para uma faixa vertical e inclinarmos a cabeça ou o corpo para o lado para que a faixa relativa aos nossos olhos não fique na vertical, os neurônios que preferem uma posição inclinada terão que funcionar. Mas, de fato, essa faixa continua sendo vertical para nós, a julgar pelos neurônios do córtex visual primário (e nós o percebemos na vertical). Isso se deve ao fato de que as informações vestibulares estão associadas às informações de orientação e as corrigem. Além disso, orientação e espaço também estão interconectados: uma sequência de orientações cada vez mais inclinadas, pontilhando a superfície do córtex visual primário, é repetida lá muitas vezes. Isso permite que você reconheça adequadamente a inclinação em várias áreas do campo de visão. As células simples processam não apenas essas informações - mas, por exemplo, a ocupação total do campo de visão - e o ponto de Gabor com um grande número de tiras finas será percebido de maneira diferente de um ponto com pequenas quantidades de largura. Em algumas células simples, as linhas de ajuste serão amplas, outras usarão linhas estreitas. Alguns incorporarão informações do nível anterior de seu processamento, no tálamo , quase de maneira aditiva, enquanto outros usarão cálculos mais complexos. Além disso, células simples se suprimem seletivamente e, além disso, sua atividade se adapta de maneira flexível, dependendo dos dados recebidos de áreas de ordem superior. Imagine o que aconteceria se eles não fossem "simples"!

Mas, apesar de todas as dificuldades, a relação entre a orientação das linhas e a atividade nervosa e entre a atividade nervosa e as sensações é bastante direta. Tanto que um mau funcionamento das sensações pode nos permitir fazer suposições razoáveis ​​sobre o funcionamento do cérebro, como no caso de uma ilusão na parede de um café, onde o contexto visual circundante afeta nosso senso de orientação - possivelmente em conexão com a supressão local.


Os tijolos parecem trapezoidais, e a costura inclinada, embora na verdade os tijolos sejam retangulares e a costura seja paralela ao chão.

Pode-se esperar que tais ligações diretas entre processos cognitivos e atividade nervosa sejam a norma? Pode-se ver com freqüência como o ajuste da orientação é descrito como uma introdução a idéias mais gerais sobre o objetivo do cérebro - como um exemplo prototípico do funcionamento do cérebro. Além disso, a pesquisa geralmente começa com perguntas cognitivas gerais (como determinamos nosso carro a partir de centenas de carros em um estacionamento? Como navegamos por uma rua movimentada? Por que é surpreendente quando uma fonte de ruído a longo prazo para de repente?), E termina em uma escala muito pequena de trabalho neurônios que descrevem os resultados de um experimento. Para os não iniciados, pode parecer que as conexões com os fenômenos cognitivos são consideradas tão óbvias que não precisam ser mais descritas. De fato, isso provavelmente ocorre devido à crença de que o espaço entre a atividade nervosa e o processamento cognitivo pode ser preenchido em princípio, e que gradualmente, com dificuldade, iremos preenchê-lo completamente - como pode ser visto no exemplo de ajuste de orientação.

No entanto, com a crescente complexidade dos fenômenos estudados por nós, a complexidade de estabelecer conexões entre neurônios e atividade inteligente também está crescendo muito rapidamente. A maior parte do senso de orientação é muito convenientemente colocada na atividade de células simples no córtex visual primário, mas seria terrivelmente inadequado determinar o processo de aprendizado simplesmente pela plasticidade das sinapses. Mesmo se descrevermos toda e com precisão toda a atividade dos neurônios, precisaremos encontrar uma maneira fundamental de conectá-los à mente, e esse método quase nunca aparece porque estamos examinando de perto o tecido nervoso.

Se nos perguntarmos se confiamos em fenômenos mentais para atividade nervosa, a resposta será definitivamente "sim". Nesse sentido, toda atividade racional pode ser reduzida a blocos de construção simples, tangíveis e consistentes que se combinam com base em um número finito de diretrizes claras. Mas, a partir dessa simplicidade, surge uma complexidade inesperada. Nesse sentido, o treinamento pode, em princípio, ser descrito em um nível nervoso, e nós, em princípio, podemos construir máquinas que são tão conscientes quanto nós. A atividade de células simples, manifestada ao visualizar manchas de Gabor, é um bom exemplo de como isso pode funcionar com a função da mente de qualquer complexidade.

Por outro lado, alguns fenômenos importantes ocorrem tanto dentro das pessoas quanto entre elas. Nosso senso de identidade, por exemplo, é uma mistura de qualidades pessoais e como elas diferem das qualidades de outras pessoas. Uma das minhas propriedades notáveis ​​é que sou estrangeiro. Isso se reflete em como eu processo certas informações relacionadas aos habitantes locais. Por exemplo, não consigo distinguir certos sons feitos com sotaque local, porque não cresci com eles, e o sinal deles diminui no meu córtex auditivo, exatamente como a orientação horizontal desses gatinhos infelizes. A minha pertença a estrangeiros pode ser discutida em termos de diferenças na atividade nervosa, e talvez até com grande precisão, mas é razoável fazê-lo? Minhas diferenças com os locais serão diferentes se eu mudar de um país para outro, e em qualquer país outros estrangeiros poderão diferir dos locais de uma maneira que não esteja conectada comigo. Faz mais sentido discutir essas diferenças no nível do nervo em função das diferenças culturais, e não em função do cérebro estranho que gera a mente estranha. Eu não tenho um cérebro estranho: eu tenho um cérebro e sou um estrangeiro. No limite, qualquer simbolização pode ser considerada o resultado de uma cultura comparável a pertencer a estrangeiros e, portanto, não pode ser chamada de característica do cérebro. E para a atividade racional, é necessária simbolização.

As pessoas interessadas no que está acontecendo nessas duas extremidades do espectro - reduzindo os fenômenos cognitivos à atividade nervosa e refratando esses fenômenos através de lentes culturais e interpessoais - consideram a posição oposta verdadeira, mas trivial, desprovida de capacidade explicativa. Parece-me que isso pode ser devido a um desacordo entre a natureza dos relacionamentos causais e se ele pode se desenvolver em uma direção ou em várias. De qualquer forma, a relação entre os lados nervoso e cognitivo da mesma moeda é cheia de sutilezas.

Estudando essas sutilezas, podemos perguntar se é possível conectar qualquer fenômeno mental de uma pessoa com estados nervosos exatos e que não variam no tempo e, portanto, se podemos sempre usar um estado nervoso para descrever um resultado cognitivo. A resposta a esta pergunta será negativa. Muitas condições nervosas podem levar ao mesmo resultado cognitivo (você pode resolver um problema matemático com base no senso de números, na visualização, na possibilidade de verbalização) e vários resultados cognitivos podem fluir de um estado (por exemplo, sua excitação alegre pode fluir para euforia ou para preocupação).

Mas talvez algum tipo de atividade nervosa inerente esteja oculta nessa variabilidade, ou essa atividade está entrando em um ou outro estado, dependendo do que o cérebro está fazendo? Se pudéssemos descrever completamente essa atividade nervosa de fundo, poderíamos descobrir exatamente qual atividade mental se manifestaria? Possivelmente. Mas, muito provavelmente, as propriedades da consciência funcionam de acordo com suas próprias regras, que não existem no nível inferior. Por exemplo, nas palavras que o outro segue de uma, pode haver significado, e nas palavras que a imagem nervosa que levou ao primeiro pensamento deu origem a uma imagem nervosa que levou ao segundo pensamento, pode não haver sentido. Sem uma descrição dos pensamentos, as conexões entre os dois padrões nervosos não são de todo óbvias. Isso significa que a maneira de organizar a mente pode não ser o melhor guia sobre como organizar o cérebro - pode ser que a mente tenha sua própria opinião.

Por outro lado, nossas suposições de que efeitos neurais simplesmente descrevem fenômenos cognitivos não são fornecidas, e suposições sobre as conexões entre neurônios e pensamentos não podem ser tomadas superficialmente. Pessoalmente, quando chego ao final do meu trabalho em neurobiologia cognitiva, tento me perguntar se posso agora dizer algo novo sobre fenômenos cognitivos, cujos estudos foram declarados neste trabalho sem tocar o cérebro. Se não posso fazer isso, provavelmente a mente não era o herói principal desta história - era apenas um herói de apoio. Esse princípio me ajuda a lembrar que a atividade nervosa é o trabalho da mente no mesmo sentido em que o ponto de Gabor é uma convolução de um sinusóide com uma curva gaussiana: a atividade nervosa explica o trabalho da mente com conceitos incondicionalmente verdadeiros, que ao mesmo tempo são incondicionalmente limitados.