Ученые выяснили, как человек выделяет фигуру из фона

В коре головного мозга найдены две новые области, отвечающие за обработку визуальной информации. И теперь ученые знают, как человек выделяет фигуру из фона и устанавливает связь между цифрами и соответствующим им количеством.

Рабочая группа из университета Джона Хопкинса (Johns Hopkins University) изучала особенности визуального восприятия человека. В частности, их интересовала способность мозга различать фигуру и фон, то есть выделять отдельный предмет из множества других и определять его свойства.

Исследователи регистрировали деятельность нервных клеток в области V2 - на небольшом участке зрительной коры, расположенном в затылочной области полушарий головного мозга. В качестве испытуемых выбрали макак, так как их зрительные анализаторы больше всего похожи на человеческие. Им показывали простые рисунки, состоящие из фигуры и фона.

При помощи механизма, обнаруженного американскими учеными, мозг распознает основную фигуру и "второстепенное изображение", направляя внимание только на одну из областей изображения. Кроме того, он собирает все линии фигуры на переднем плане в один визуальный образ. Область V2 строит карту переднего и заднего плана для каждого образа, зафиксированного глазом. Контуры фигуры на переднем плане фиксируются за одну десятую секунды.

"В естественных условиях образы более сложны, - говорит профессор Рудигер фон дер Хейдт (Rudiger von der Heydt), один их авторов исследования, - поэтому вариантов их распознавания гораздо больше, чем два - фигура и фон. В большинстве случаев они содержат множество стимулов, которые могут быть использованы для идентификации переднего и заднего плана. Однако часто стимулы противоречат друг другу. Система V2 комбинирует все стимулы в эффективную схему и представляет первый черновой вариант образа".
Фон дер Хейдт назвал этот механизм "примитивным", но вполне надежным. К тому же в мозге существует и механизм отрицания результатов работы V2. Как показали эксперименты, мозг может также приказать, чтобы V2 интерпретировал изображения с другой стороны, поменяв местами фигуру и фон.

Статья об исследовании опубликована в журнале Nature Neuroscience.

Механизм, обнаруженный фон дер Хейдтом и его коллегами, - часть системы, позволяющей человеку находить отдельные предметы в изобилующих деталями композициях без каких-либо сознательных усилий, прикасаться и брать их в руки. К сожалению, полная схема работы этой системы пока не исследована. Однако обнаружение механизма V2 - не просто интересное открытие, считают ученые. Оно может помочь в поиске причин и разработке лечения расстройств, связанных с восприятием образа, например дислексии.

Исследование восприятия зрительной информации проводили также ученые из университета Тюбингена (University of Tübingen). Их заинтересовало, какие структуры мозга задействуются у подопытных обезьян при попытке связать арабские цифры с соответствующим им количеством.

Глава лаборатории нейрокогнитивных исследований приматов Андреас Нидер (Andreas Nieder) и его аспирант Илка Дистер (Ilka Diester) для эксперимента специально обучили двух макак-резусов. В течение нескольких месяцев они вырабатывали у приматов связь между количеством точек на карточке и арабской цифрой. Впоследствии макаки должны были тянуть за специальный рычаг, как только перед ними одновременно появлялись цифра и карточка с соответствующим количеством точек.
Обезьяны делали правильный выбор в 90% случаев.

Пока животные занимались выбором правильных вариантов ответа, ученые отсмотрели активность 692 случайно отобранных нейронов в передней части лобной коры и 437 нейронов в теменной коре мозга. Оказалось, что при выполнении задания в лобной коре проявило активность 23% нейронов, тогда как в теменной их было всего 2%. Кроме того, за обработку разного количества отвечали разные группы нервных клеток - некоторые за один, другие за два и так далее. Если макака делала ошибку, то активизировались не те нейроны, что при правильном решении.

Ранее считалось, что при устном счете для символического представления цифр активируется внутритеменная борозда мозга. По крайней мере повреждения в этой области вызывали существенные проблемы при работе с числами.
Нидер и Дистер же обнаружили, что семантические (смысловые) ассоциации образуются в передней лобной части коры головного мозга - центре всего процесса обработки информации.

Исследователи говорят, что эта область вовлечена в образование связи между числом и количеством у приматов и детей, а теменная область коры берет на себя эту функцию уже в подростковом возрасте, когда ассоциации становятся более автоматическими. Рисуночные методики тестирования показали, что при изображении связей между символами и понятиями передняя лобная кора у детей максимально занята.

Результаты опубликованы в журнале PLoS Biology.

Нидер полагает, что полученные им данные могут найти широкое применение: "Люди учатся использовать символы как инструменты познания в течение детства. До того как надписи будут использованы как символы, нужно установить долгосрочную ассоциацию между бессмысленными поначалу формами и смысловыми категориями. Так как животные тоже имеют возможность создания элементарных ассоциаций, мы имеем шанс узнать больше о познавательных механизмах, лежащих в основе познавательных задач".