Каждый раз, когда вы открываете глаза, в ваш мозг поступает визуальная информация, которая интерпретирует то, что вы видите. Теперь, впервые нейробиологи Массачусетского технологического института неинвазивно картировали этот поток информации в человеческом мозгу с уникальной точностью, используя новую технику сканирования мозга.
Этот метод, сочетающий в себе две существующие технологии, позволяет исследователям точно определять как местоположение, так и время активности человеческого мозга. Используя этот новый подход, исследователи Массачусетского технологического института сканировали мозг людей, когда они смотрели на разные изображения, и смогли с точностью до миллисекунды определить, когда мозг распознает и классифицирует объект, и где эти процессы происходят.
"Этот метод дает вам визуализацию «когда» и «где» одновременно. Это окно в процессы, происходящие в миллисекундах и миллиметрах," говорит Од Олива, главный научный сотрудник Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (CSAIL).
Олива является старшим автором статьи, описывающей находки Январского. 26 выпуск журнала Nature Neuroscience. Ведущий автор статьи – постдок CSAIL Радослав Цичи. Димитриос Пантазис, научный сотрудник Института исследований мозга Макговерна Массачусетского технологического института, также является автором статьи.
Когда и где
До сих пор ученые могли наблюдать местоположение или время активности человеческого мозга с высоким разрешением, но не то и другое вместе, потому что разные методы визуализации нелегко комбинировать. Наиболее часто используемый тип сканирования мозга, функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ), измеряет изменения кровотока, выявляя, какие части мозга задействованы в конкретной задаче. Однако он работает слишком медленно, чтобы успевать за миллисекундной динамикой мозга.
Другой метод визуализации, известный как магнитоэнцефалография (МЭГ), использует массив из сотен датчиков, окружающих голову, для измерения магнитных полей, создаваемых нейронной активностью в головном мозге. Эти датчики предлагают динамический портрет активности мозга во времени с точностью до миллисекунды, но не определяют точное местоположение сигналов.
Чтобы объединить информацию о времени и местоположении, генерируемую этими двумя сканерами, исследователи использовали вычислительную технику, называемую анализом репрезентативного сходства, который основан на том факте, что два похожих объекта (например, два человеческих лица), которые вызывают одинаковые сигналы в фМРТ, также будут производить аналогичные сигналы. сигналы в MEG. Этот метод использовался раньше для связи фМРТ с записями электрической активности нейронов у обезьян, но исследователи из Массачусетского технологического института первыми использовали его для связывания данных фМРТ и МЭГ от людей.
В ходе исследования исследователи отсканировали 16 человек-добровольцев, когда они просмотрели серию из 92 изображений, включая лица, животных, а также природные и искусственные объекты. Каждое изображение показывалось полсекунды.
"Мы хотели измерить, как визуальная информация проходит через мозг. Это просто автомат, который запускается каждый раз, когда вы открываете глаза, и это невероятно быстро," Cichy говорит. "Это очень сложный процесс, и мы еще не рассмотрели высшие когнитивные процессы, которые приходят позже, такие как вспоминание мыслей и воспоминаний, когда вы смотрите на объекты."
Каждый субъект проходил тест несколько раз – дважды в сканере фМРТ и дважды в сканере МЭГ, что давало исследователям огромный набор данных о времени и местоположении активности мозга. Все сканирование проводилось в Athinoula A. Центр визуализации Мартиноса в Институте Макговерна.
Миллисекунда на миллисекунду
Проанализировав эти данные, исследователи создали временную шкалу пути распознавания объектов головным мозгом, которая очень похожа на результаты, полученные ранее при регистрации электрических сигналов в зрительной коре головного мозга обезьян, метод, который чрезвычайно точен, но слишком инвазивен для использования на людях.
Примерно через 50 миллисекунд после того, как субъекты увидели изображение, визуальная информация поступила в часть мозга, называемую первичной зрительной корой, или V1, которая распознает основные элементы формы, например, является ли она круглой или удлиненной. Затем информация поступала в нижневисочную кору, где мозг идентифицировал объект уже через 120 миллисекунд. В течение 160 миллисекунд все объекты были классифицированы по таким категориям, как растения или животные.
Исследователи Массачусетского технологического института теперь используют анализ репрезентативного сходства для изучения точности компьютерных моделей зрения путем сравнения данных сканирования мозга с предсказаниями моделей о том, как работает зрение.
Используя этот подход, ученые также должны иметь возможность изучить, как человеческий мозг анализирует другие типы информации, такие как моторные, вербальные или сенсорные сигналы, говорят исследователи. Это также может пролить свет на процессы, лежащие в основе таких состояний, как нарушения памяти или дислексия, и может принести пользу пациентам, страдающим параличом или нейродегенеративными заболеваниями.
"Это первый раз, когда МЭГ и фМРТ были соединены таким образом, что дало нам уникальную перспективу," Пантазис говорит. "Теперь у нас есть инструменты для точного картирования функций мозга как в пространстве, так и во времени, что открывает огромные возможности для изучения человеческого мозга."