Как мы видим? Нейробиология зрительного восприятия

Многочисленность и разнообразие связей между зонами V1, V2, V3 и V4 не позволяет рассматривать их как жестко обособленные анатомические структуры, а также затрудняет понимание того, каким образом происходит формирование последующих рецептивных полей из предыдущих. Скорее речь идет о сетеобразной структуре.

Изучение активности нейронов в зонах V3 и V4 показывает, что те реагируют на различные признаки. Один из достаточно хорошо изученных – кривизна. Первоначально эти клетки были описаны Хьюбелом и Визелем как клетки, реагирующие на концы линий (end-stopped cells). Эти клетки чем-то похожи на сложные клетки – предполагается, что они создаются посредством иерархической конвергенции сложных клеток, – но обладают дополнительным свойством: они предпочитают не просто края, а края определенной, фиксированной длины. Однако последующие исследования показали, что это свойство также можно рассматривать как чувствительность к кривизне. Помимо них в зонах V3 и V4 содержатся клетки с другими специфическими видами чувствительности: так, некоторые клетки в V4 чувствительны к цветам, а в V2 есть клетки, чувствительные к углам. Честно говоря, ученые пока имеют весьма смутное представление о том, что происходит внутри этих зрительных зон.

По аналогии с искусственными нейронными сетями зоны V1, V2, V3 и V4 могут функционировать как промежуточные «скрытые слои» зрительной сети. Именно это может объяснять, почему поведение их нейронов – несмотря на все усилия исследователей – так трудно классифицировать. Как мы увидели в главе 10, скрытые слои последовательно соединяют несколько нейронных сетей, таким образом значительно увеличивая их вычислительную мощь. Они называются «скрытыми», потому что не взаимодействуют напрямую с внешним миром, а только с соседними слоями. Понять, что делают эти скрытые слои, нелегко даже в собственноручно сотворенных нами системах ИИ. Ситуация осложняется тем, что нейроны в одном скрытом слое необязательно должны делать одно и то же. Да, у нас есть основания полагать, что нейроны в зонах V3 и V4 выполняют более сложные функции по выделению признаков, чем клетки в зонах V1 и V2. Можно сказать, что по своей сложности функции этих скрытых слоев находятся в промежутке между функциями зон V1 и V2 и функциями областей распознавания объектов в височной коре.

ВИСОЧНАЯ КОРА

Если не вдаваться в детали, обработка зрительной информации в височной коре построена по иерархическому принципу в направлении от задней к передней части коры: более простые признаки выделяются в задней части, ближе к первичной зрительной коре V1, а распознавание сложных объектов происходит ближе к передней части (лобной доле мозга). Разумеется, это сильно упрощенное представление (вспомните вышеприведенную анатомическую «коммутационную схему» с ее паутиной прямых и обратных связей), но достаточно близкое к реальности, чтобы быть полезным для понимания системы обработки изображений в мозге.

В височной доле существует по крайней мере шесть участков распознавания лиц, соединенных между собой аксональными связями. У этих участков есть свои формальные названия, указывающие на соответствующие анатомические подразделения височной доли, где они расположены. Но эти названия слишком сложны для неспециалистов и вызывают разногласия у экспертов, поэтому я взял на себя смелость свести их в более обобщенную номенклатуру. Не вдаваясь в детали, я расскажу о задней, центральной и передней частях нижней височной коры.

Продолжая наш разговор, мы можем рассматривать эти шесть участков распознавания лиц, распределенных по коре височных долей, как скрытые слои нейронной сети, предназначенной для идентификации конкретных визуальных объектов. Самое примечательное, что эти зоны коры являются в определенной мере универсальными распознавателями – они не запрограммированы генетически на распознавание лиц, а приобретают эту специализацию в процессе обучения (например, эксперименты Ливингстон и ее коллег показали, что у обезьян, которые с детства не видели лиц, эти участки отвечают за распознавание рук).

Можно сказать, что скрытые слои нейронной сети в направлении от задней к центральной части височной коры выделяют все более сложные наборы признаков лица. Скрытые слои в задней части получают входные данные от зон V1–V4 и используют их для обнаружения таких компонентов, как овал лица, нос, подбородок, волосы и особенно глаза. Нетрудно представить, как сложная избирательная чувствительность предыдущих слоев – избирательность к кривым, углам и т. д. – помогает обнаруживать вышеуказанные компоненты лица. В магии распознавания лиц гораздо меньше магического, чем может показаться, потому что лицо – не случайный набор пикселей. Но детальная механика этого процесса нам (пока) неизвестна: как это часто бывает с нейронными сетями, чем именно занимается каждый скрытый слой, остается загадкой.