Визуальная обработка

Не путать с обработкой изображений .

Визуальная обработка — это термин, который используется для обозначения способности мозга использовать и интерпретировать визуальную информацию из окружающего мира. Процесс преобразования световой энергии в осмысленное изображение — это сложный процесс, которому способствуют многочисленные структуры мозга и когнитивные процессы более высокого уровня. На анатомическом уровне световая энергия сначала попадает в глаз через роговицу , где свет преломляется. Пройдя через роговицу, свет проходит через зрачок , а затем через хрусталик глаза, где он в большей степени изгибается и фокусируется на сетчатке. В сетчатке группа светочувствительных клеток, называемых фоторецепторами расположена . Существует два типа фоторецепторов: палочки и колбочки . Палочки чувствительны к тусклому свету, а колбочки лучше пропускают яркий свет. Фоторецепторы соединяются с биполярными клетками , которые индуцируют потенциалы действия в ганглиозных клетках сетчатки . Эти ганглиозные клетки сетчатки образуют пучок на диске зрительного нерва , который является частью зрительного нерва . Два зрительных нерва каждого глаза встречаются на перекрест зрительных нервов , где нервные волокна от каждой носовой сетчатки пересекаются, в результате чего правая половина поля зрения каждого глаза представлена ​​в левом полушарии , а левая половина поля зрения каждого глаза представлена ​​в правом полушарии . Затем зрительный тракт разделяется на два зрительных пути: коленно-стриарный путь и тектопульвинарный путь , которые отправляют визуальную информацию в зрительную кору для затылочной доли обработки более высокого уровня (Whishaw and Kolb, 2015).

Представления сверху вниз и снизу вверх

Зрительная система организована иерархически, с анатомическими областями, выполняющими специализированные функции по обработке изображений. Визуальная обработка низкого уровня связана с определением различных типов контраста между изображениями, проецируемыми на сетчатку, тогда как визуальная обработка высокого уровня относится к когнитивным процессам, которые интегрируют информацию из различных источников в визуальную информацию, представленную в сознании. Обработка объектов, включая такие задачи, как распознавание и определение местоположения объектов , является примером визуальной обработки более высокого уровня. Высокоуровневая визуальная обработка зависит как от нисходящих, так и от восходящих процессов. Обработка снизу вверх относится к способности зрительной системы использовать входящую визуальную информацию, текущую по однонаправленному пути от сетчатки к высшим корковым областям. Обработка сверху вниз подразумевает использование предварительных знаний и контекста для обработки визуальной информации и изменения информации, передаваемой нейронами, изменяя способ их настройки на стимул. Все области зрительного пути, за исключением сетчатки, могут подвергаться воздействию обработки сверху вниз. Существует традиционное мнение, что зрительная обработка осуществляется по системе прямой связи, где существует односторонний процесс, посредством которого свет передается от сетчатки к высшим корковым областям, однако появляется все больше свидетельств того, что зрительные пути работают в двух направлениях, как с прямой связью, так и с обратной связью. имеются механизмы, которые передают информацию в и из нижних и верхних областей коры. Различные исследования продемонстрировали идею о том, что обработка изображений зависит как от систем прямой связи, так и от систем обратной связи (Jensen et al., 2015; Layher et al., 2014; Lee, 2002). Различные исследования, в которых были зарегистрированы ранние зрительные нейроны у макак , обнаружили доказательства того, что ранние зрительные нейроны чувствительны к особенностям как своих рецептивных полей, так и к глобальному контексту сцены. В двух других исследованиях на обезьянах электрофизиология использовалась для обнаружения различных частот, связанных с обработкой сигналов прямой и обратной связи у обезьян (Orban, 2008; Schenden & Ganis, 2005). Исследования на обезьянах также показали, что нейроны зрительных областей более высокого уровня избирательны к определенным стимулам. Одно исследование, в котором использовались единичные записи на макаках, показало, что нейроны в средневисочной зрительной области, также известной как область MT или V5, были очень избирательны как по направлению, так и по скорости (Maunsell & Van Essen, 1983).

Нарушения обработки зрительной информации более высокого уровня.

Известно, что существуют различные расстройства, вызывающие дефицит зрительной обработки более высокого уровня, включая агнозию зрительных объектов , прозопагнозию , топографагнозию , алексию , ахроматопсию , акинетопсию , синдром Балинта и астереопсис . Эти нарушения вызваны повреждением структуры мозга, связанного либо с вентральным, либо с дорсальным зрительным потоком (Barton 2011).

Обработка раздражителей лица и места

Прошлые модели обработки изображений различали определенные области мозга по конкретным стимулам, на которые они наиболее чувствительны; например, было показано, что парагиппокампальная область места (PPA) имеет повышенную активацию при представлении зданий и мест (Epstein & Kanwisher, 1998), тогда как веретенообразная область лица (FFA) в основном сильно реагирует на лица и лицоподобные стимулы. (Канвишер и др., 1997).

Область парагиппокампального места (PPA)

Область парагиппокампального места (ППА) расположена в задней парагиппокампальной извилине , которая сама содержится в медиальной височной доле в непосредственной близости от гиппокампа . Его название происходит от усиления нейронной реакции в PPA при просмотре таких мест, как здания, дома и другие конструкции, а также при просмотре сцен окружающей среды как в помещении, так и на открытом воздухе (Epstein & Kanwisher, 1998). Это не означает, что PPA не проявляет активации при предъявлении других визуальных стимулов — при представлении знакомых объектов, которые не являются ни зданиями, ни лицами, например стульями, внутри PPA также происходит некоторая активация (Ishai et al., 2000). . Однако оказывается, что PPA связан с зрительной обработкой зданий и мест, поскольку пациенты, перенесшие повреждение парагиппокампальной области, демонстрируют топографическую дезориентацию, другими словами, неспособность ориентироваться в знакомой и незнакомой обстановке (Habib & Sirigu, 1987). Помимо визуальной обработки, парагиппокампальная извилина участвует как в пространственной памяти, так и в пространственной навигации (Squire & Zola-Morgan, 1991).

Веретенообразная область лица (FFA)

Веретенообразная область лица расположена в пределах нижней височной коры в веретенообразной извилине . Подобно PPA, FFA демонстрирует более высокую нейронную активацию при визуальной обработке лиц, а не мест или зданий (Kanwisher et al., 1997). Однако веретенообразная область также активируется для других стимулов, и ее можно научить специализироваться на визуальной обработке объектов исследования. Предыдущие исследования изучали активацию FFA у людей со специальной зрительной подготовкой, таких как орнитологи или эксперты по автомобилям, которые адаптировали зрительные навыки для определения характеристик птиц и автомобилей соответственно. Было показано, что эти эксперты разработали активацию FFA для своих конкретных зрительных навыков. В других экспериментах изучалась способность развивать навыки FFA с помощью «гриблов» — визуального стимула, состоящего из нескольких компонентов, которые можно комбинировать для создания ряда различных конфигураций, подобно тому, как можно создать множество слегка отличающихся черт лица. используется для создания уникального лица. Участники были обучены способности различать гриблы по различным признакам, и в ходе обучения им периодически измеряли активацию гриблов в FFA — результаты после обучения показали, что активация гриблов в FFA увеличивалась с течением времени, тогда как реакции FFA на лица фактически уменьшались с увеличением тренировок гриблов. Эти результаты позволили сделать три основных вывода в отношении FFA при визуальной обработке: во-первых, FFA не обрабатывает исключительно лица; во-вторых, FFA демонстрирует активацию для «экспертных» зрительных задач и со временем может быть обучен адаптации к новым зрительным стимулам; наконец, FFA не поддерживает постоянный уровень активации для всех стимулов и вместо этого, по-видимому, «разделяет» активацию таким образом, что наиболее часто наблюдаемые стимулы получают наибольшую активацию в FFA, как это видно в исследовании Greebles (Gauthier et al. , 2000). 

Развитие FFA и PPA в мозге

Некоторые исследования показывают, что развитие FFA и PPA связано со специализацией определенных зрительных задач и их связью с другими паттернами обработки изображений в мозге. В частности, существующие исследования показывают, что активация FFA приходится на область мозга, обрабатывающую непосредственное поле зрения, тогда как активация PPA расположена на областях мозга, которые отвечают за периферическое зрение и зрение сразу за пределами прямого поля зрения (Леви и др., 2001). Это говорит о том, что FFA и PPA, возможно, развили определенную специализацию из-за общих визуальных задач в этих полях зрения. Поскольку лица обычно обрабатываются в непосредственном поле зрения, части мозга, обрабатывающие прямое поле зрения, в конечном итоге также специализируются на более детальных задачах, таких как распознавание лиц . Та же концепция применима и к месту: поскольку здания и локации часто рассматриваются целиком либо прямо за пределами поля зрения, либо на периферии человека, любая визуальная специализация здания или локации будет обрабатываться в областях мозга, отвечающих за периферийное зрение. Таким образом, часто встречающиеся формы, такие как дома и здания, становятся специализированными в определенных областях мозга, то есть в PPA.

См. также

• Зрительная агнозия
• Зрительная кора
• Визуальное восприятие
• Визуальная система
• Прогнозирующее кодирование

Ссылки

• Дас М., Беннетт Д.М., Даттон Г.Н. (ноябрь 2007 г.). «Зрительное внимание как важная зрительная функция: описание проявлений, диагностика и лечение нарушений зрительного внимания» . Br J Офтальмол . 91 (11): 1556–60. дои : 10.1136/bjo.2006.104844 . ПМК   2095436 . ПМИД   17301124 .
• Хеллиге Дж.Б. (1996). «Полушарная асимметрия для обработки зрительной информации» . Акта Нейробиол Эксп . 56 (1): 485–97. дои : 10.55782/ane-1996-1151 . ПМИД   8787209 .
• Китахара К. (март 2007 г.). «[Физиология и патология обработки зрительной информации]». Ниппон Ганка Гаккай Засши (на японском языке). 111 (3): 160–91, обсуждение 192. PMID   17402561 .
• Майлз Ф.А. (март 1998 г.). «Нейронная обработка трехмерной визуальной информации: данные по движениям глаз» . Евро. Дж. Нейроски . 10 (3): 811–22. дои : 10.1046/j.1460-9568.1998.00112.x . ПМИД   9753150 . S2CID   15985008 .
• Видьясагар Т.Р. (2005). «Внимание в первичной зрительной коре: физиологическая основа дислексии». Восприятие . 34 (8): 903–11. дои : 10.1068/p5332 . ПМИД   16178142 . S2CID   6107375 .
• Эпштейн Р. и Канвишер Н. (1998). Корковое представление местной визуальной среды. В природе (том 392, стр. 598–601).
• Готье И., Скудларски П., Гор Дж. К. и Андерсон А. В. (2000). Опыт работы с автомобилями и птицами задействует области мозга, участвующие в распознавании лиц. В журнале Nature Neuroscience (том 3, стр. 191–197).
• Хабиб М. и Сиригу А. (1987). Чистая топографическая дезориентация: определение и анатомическая основа. В Cortex (том 23, стр. 73–85).
• Ишай А., Унгерлейдер Л.Г. и Хаксби СП (2000). Распределенные нейронные системы для генерации визуальных изображений. В Neuron (том 28, стр. 979–990).
• Канвишер Н., Макдермотт Дж. и Чун ММ. Веретенообразная область лица: модуль экстрастриарной коры головного мозга человека, специализирующийся на восприятии лица. В журнале Neurosci (том 17, стр. 4302–4311).
• Леви И., Хассон У., Авидан Г., Хендлер Т. и Малах Р. (2001). Центро-периферийная организация предметных областей человека. В журнале Nature Neuroscience (том 4, стр. 533–539).
• Сквайр, Л.Р., Зола-Морган, С. (1991). Медиальная система памяти височной доли. В науке (том 253, стр. 1380–1386)
• Бартон, Джей-Джей (2011). Нарушения высшей зрительной обработки. В Справочнике по клинической неврологии (том 102, стр. 223–261). Эльзевир.
• Гилберт, К.Д., и Ли, В. (2013). Влияние сверху вниз на визуальную обработку. Nature Reviews Neuroscience , 14 (5), 350.
• Дженсен О., Боннефонд М., Маршалл Т.Р. и Тисинга П. (2015). Колебательные механизмы прямой и обратной обработки зрительной информации. Тенденции в нейробиологии , 38 (4), 192–194.
• Лайхер Г., Шродт Ф., Бутц М.В. и Нейман Х. (2014). Адаптивное обучение в разделенной модели зрительной коры — как обратная связь обеспечивает стабильное обучение и совершенствование категорий. Границы в психологии , 5 , 1287.
• Ли, ТС (2002). Влияние сверху вниз на раннюю визуальную обработку: байесовский взгляд. Физиология и поведение , 77 (4–5), 645–650.
• Маунселл, Дж. Х., и Ван Эссен, округ Колумбия (1983). Функциональные свойства нейронов средневисочной зрительной области макаки. I. Избирательность по направлению, скорости и ориентации стимула. Журнал нейрофизиологии , 49 (5), 1127–1147.
• Орбан, Джорджия (2008). Визуальная обработка высшего порядка в экстрастриарной коре головного мозга макака. Физиологические обзоры , 88 (1), 59–89.
• Перера-Ва, Х. (2019). Выявление последействия ориентации конкретной пространственной частоты в зрительной системе. https://peerj.com/preprints/27973/?td=wk .
• Шендан, Х.Э., и Ганис, Г. (2015). Нисходящая модуляция визуальной обработки и знаний через 250 мс поддерживает постоянство объектов в категориальных решениях. Границы в психологии , 6 , 1289.
• Уишоу, IQ, и Колб, Б. (2015). Основы нейропсихологии человека (7-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Стоит.