Фотопейзаж и компьютер - Кощеев Виктор

Еще раз подчеркну, что деятельность первых зон в значительной степени зависит от результатов обработки картинки высшими зрительными зонами, задачей, которую ставит перед собой человек, и его личным опытом наблюдения подобных изображений.

С другой стороны, благодаря наличию прямых связей первичных зон с высшими (в обход промежуточных зон) информация о локальных деталях может поступать в высшие зоны зрительной коры непосредственно из первых зон.

Рецептивные поля нейронов зон V4 и MT примерно в четыре раза больше рецептивных полей нейронов зоны V1. Рецептивное поле нейрона зоны IT занимает уже бо́льшую часть всего поля зрения.

Обработка изображения происходит параллельно по трем взаимодействующим каналам.

• Первый канал (канал «Что») состоит из нейронов-детекторов деталей изображения. Эти нейроны хорошо различают мелкие детали, но имеют низкую чувствительность к контрасту и к изменениям во времени. По мере перехода от слоя к слою избирательность нейронов увеличивается. Нейроны зоны IT реагируют на очень сложные элементы картинки, например, на изображения лица, независимо от их размера и положения на сетчатке.

• Второй канал (канал «Где») состоит из нейронов-детекторов контраста и движения. Эти нейроны имеют высокую чувствительность к контрасту и к изменениям во времени, но низкое пространственное разрешение. Одни нейроны MST реагируют на небольшие движущиеся объекты, а другие – на движение краев больших объектов. С помощью этого канала быстро обнаруживаются новые или изменившиеся объекты.

• Третий канал состоит из нейронов, имеющих отношение к восприятию цвета.

Интересно, что полученное человеком образование влияет на размеры зон коры головного мозга. Так обнаружено, что у музыкантов, зона, ответственная за чтение партитур, увеличена за счет уменьшения соседних зон.

Каждый нейрон может иметь до 15000 соединений с соседними нейронами. Те соединения, которые оканчиваются на дендритном дереве, возбуждают нейрон, а те, которые соединяются с телом нейрона – тормозят. Каждую секунду нейрон может получать тысячи возбуждающих и тормозящих импульсов от своих соседей. Как это все работает – уму непостижимо!

А как все это выросло из одной клетки! Конечно, в ДНК закодирована не схема соединения нейронов, а правила ее построения. Типа «аксон нейрона ищет ближайший нейрон, использующий такой же нейромедиатор, и соединяется с ним; если не находит, то нейрон этого аксона отмирает».

Когда-нибудь докопаются и до детальных исходных текстов этой программы.

1.6. Кодирование сенсорного сигнала в коре головного мозга

Придумана красивая математическая модель, которая удивительным образом объясняет, для чего могло бы понадобиться создать такую систему рецептивных полей нейронов коры головного мозга и как это могло быть сделано. Идею можно объяснить следующим образом.

Пусть мы имеем много фотоснимков разных пейзажей. Поставим такую задачу: найти такой набор кусочков изображений, из которых можно было бы составить (как пазл) любую из этих фотографий. Пусть таких кусочков будет много, лишь бы каждый снимок состоял из небольшого их числа. Эта задача имеет тривиальное решение: разрезаем каждый снимок на кусочки и все вместе они и дадут искомый набор.

Потребуем теперь, чтобы количество кусочков было гораздо меньше, чем получились в этом наборе. Это можно было бы сделать, например, рассортировав этот набор на группы похожих кусочков, и каждую группу заменить на один «усредненный» кусочек.

Оказывается, что такая задача может быть решена не разрезанием изображений на части и сортировкой кусочков, а математически строго. То есть, для заданного множества изображений можно построить набор наилучших картинок, из которых может быть составлено каждое изображение из этого множества. «Наилучших» в том смысле, что составленное из этих картинок изображение будет отличаться от исходного минимальным образом. И при важном условии, что каждое изображение составляется из небольшого количества картинок.

Основная цель решения этой задачи не в том, чтобы получить составные изображения, близкие к исходным, а в том, чтобы найти элементарные компоненты изображений данного класса, позволяющие экономным образом закодировать их структуру.

Когда такой алгоритм (sparse coding, разреженное кодирование) обработал около полумиллиона кусочков изображений пейзажей и других сцен окружающего нас мира, то полученные элементарные картинки оказались невероятно похожи на картинки, на которые настроены рецептивные поля некоторых из нейронов первичных зрительных зон головного мозга!

Если составление изображений из кусочков сравнить с составлением слов из букв, то получается, что полученный алфавит (набор элементарных картинок) содержит много букв, но каждое изображение представляет собой короткое слово. В этом и состоит «разреженность». Получается что-то вроде китайской азбуки, но вид иероглифов не придуман людьми, а вычислен оптимальным образом для заданного набора понятий, которые должны быть описаны этим языком.

Если это все действительно так, то вырисовывается следующая схема.

1. Каждый «пиксель» изображения на сетчатке представлен в высших разделах зрительной коры головного мозга в виде возбуждения только тех нейронов, для которых картинка в окрестности этого пикселя «совпала» с той, на которую настроены их рецептивные поля. Нейронов, в рецептивных полях которых находится окрестность данного пикселя – много, может быть, сотни тысяч и больше, но для конкретного изображения (одного из тех, которые могут встретиться в природе), всегда сработает только небольшое их количество, возможно, единицы или десятки (в этом и проявляется разреженность!).

2. Картинки в рецептивных полях, на которые реагируют нейроны зрительной коры, формируются в процессе самообучения в раннем возрасте, а может быть, и в течение всей жизни. Когда младенец с удивлением рассматривает яркую игрушку, может быть, в это время это и происходит. Получающиеся картинки различаются рисунком, ориентацией и полосой пространственных частот этого рисунка.

Если верно, что наружное коленчатое тело преобразует изображение на сетчатке в последовательность изображений с разными интервалами пространственных частот, то тем самым дается шанс нейронам, настроенным на разные частоты, «опознать» свой рисунок.

Полагают, что разреженное кодирование является общим принципом кодирования сенсорной информации в нервной системе и используется, в частности, для кодирования природных звуков или запахов.

Благодаря представлению информации, полученной от сенсоров, в виде разреженного кода:

• выявляется структура сложных входных данных, что упрощает их анализ на последующих уровнях;

• повышается емкость ассоциативной памяти, т. к. повышается различимость сходных состояний;

• экономится энергия (а подсчитано, что в коре головного мозга энергии хватает только для одновременной активации не более чем 2 % всех нейронов коры).

По мере перехода к последующим слоям нейронов их рецептивные поля все усложняются и для моделирования их структуры, если такое окажется возможным, уже нужно будет учитывать степень значимости для организма элементарного изображения (какое типичное поведение оно вызывает: опасность это, или добыча, или что-то другое жизненно важное).

На заключительных стадиях обработки зрительной информации, о которых на клеточном уровне мало что известно, осуществляется следующее:

• отсутствующие, например, из-за наличия на сетчатке слепого пятна, части изображения восстанавливаются, видимо, с помощью интерполяции и сведений, хранящихся в памяти;

• информация, которая была отсечена на этапе структуризации изображения, домысливается (если она требуется), снова с помощью интерполяции и памяти;

• мозг «улучшает» поступившую картинку с помощью ранее полученных знаний об изображенных предметах и, в частности, о законах перспективы;