Незважаючи на те, що зорова система людини має складні механізми для обробки кольору, мозок не має проблем з розпізнаванням об’єктів на чорно-білих зображеннях. Нове дослідження Массачусетського технологічного інституту пропонує можливе пояснення того, як мозок стає настільки вправним у ідентифікації як кольорів, так і зображень із поганим кольором.

Використовуючи експериментальні дані та обчислювальне моделювання, дослідники знайшли докази того, що коріння цієї здатності може лежати в розвитку. Робота була опублікована в журналы Science.

На ранньому етапі життя, коли новонароджені отримують дуже обмежену інформацію про колір, мозок змушений навчитися розрізняти об’єкти на основі їх яскравості або інтенсивності світла, яке вони випромінюють, а не за кольором. Пізніше в житті, коли сітківка та кора головного мозку більш підготовлені для обробки кольорів, мозок також включає інформацію про колір, але також зберігає свою раніше набуту здатність розпізнавати зображення без критичної залежності від колірних сигналів.

Висновки узгоджуються з попередньою роботою, яка показує, що початково погіршені зорові та слухові можливості сприйняття можуть бути корисними для раннього розвитку систем сприйняття.

«Ця загальна ідея, що є щось важливе в початкових обмеженнях, які ми маємо в нашій системі сприйняття, виходить за межі кольорового бачення та гостроти зору. Деяка робота, яку наша лабораторія виконала в контексті прослуховування, також свідчить про те, що є щось важливе в накладаючи обмеження на багатство інформації, з якою неонатальна система спочатку стикається», – каже Паван Сінха, професор відділу мозку та когнітивних наук Массачусетського технологічного інституту та старший автор дослідження.

Отримані дані також допомагають пояснити, чому дітям, які народилися сліпими, але яким пізніше в житті відновили зір через видалення вродженої катаракти, набагато важче ідентифікувати об’єкти, представлені чорно-білим. Ті діти, які отримують зорову інформацію із насиченим кольором, щойно їхній зір відновлюється, можуть розвинути надмірну залежність від кольорової інформації, що робить їх набагато менш стійкими до змін або видалення інформації про колір.

Ідея вивчення того, як ранній досвід роботи з кольором впливає на подальше розпізнавання об’єктів, виникла на основі простого спостереження під час дослідження дітей, у яких відновився зір після операції з приводу вродженої катаракти. У 2005 році Sinha запустив проект Prakash (санскритське слово, що означає «світло»), спробу в Індії виявити та лікувати дітей із оборотними формами втрати зору.

Багато з цих дітей страждають на сліпоту через дифузно змутнілу бінокулярну катаракту. Цей стан часто не лікують в Індії, де найбільше у світі сліпих дітей (за оцінками, від 200 000 до 700 000).

Діти, які отримують лікування в рамках проекту Prakash, також можуть брати участь у дослідженнях свого зорового розвитку, багато з яких допомогли вченим дізнатися більше про те, як змінюється організація мозку після відновлення зору, як мозок оцінює яскравість та інші явища, пов’язані із зором.

У цьому дослідженні Сінха та його колеги дали дітям простий тест на розпізнавання об’єктів, показуючи як кольорові, так і чорно-білі зображення. Для дітей, які народилися з нормальним зором, зміна кольорових зображень на чорно-білі взагалі не впливала на їхню здатність розпізнавати зображений предмет. Однак, коли дітям, яким видалили катаракту, показали чорно-білі зображення, їх ефективність у розпізнаванні значно знизилася.

Це спонукало дослідників до гіпотези, що характер зорової інформації, якій діти піддаються в ранньому віці, може відігравати вирішальну роль у формуванні стійкості до змін кольору та здатності ідентифікувати об’єкти, представлені на чорно-білих зображеннях. У новонароджених із нормальним зором конусоподібні клітини сітківки недостатньо розвинені при народженні, що призводить до поганої гостроти зору та поганого сприйняття кольорів. У перші роки життя їхній зір помітно покращується в міру розвитку колбочкової системи.

Оскільки незріла зорова система отримує значно меншу кількість кольорової інформації, дослідники припустили, що в цей час мозок дитини змушений навчитися розпізнавати зображення зі зменшеними кольоровими ознаками. Крім того, вони припустили, що діти, які народжуються з катарактою і мають її пізніше видаляти, можуть навчитися надто покладатися на колірні ознаки під час ідентифікації об’єктів, тому що, як вони експериментально продемонстрували в статті, зі зрілою сітківкою ока вони починають вчитись візуальному сприйняттю з хорошим кольоровим зором.

Щоб ретельно перевірити цю гіпотезу, дослідники використали стандартну згортову нейронну мережу AlexNet як обчислювальну модель зору. Вони навчили мережу розпізнавати об’єкти, надаючи їй різні типи вхідних даних під час навчання.

Як частину одного режиму тренувань вони спочатку показували лише зображення моделі у відтінках сірого, а потім представили кольорові зображення. Це приблизно імітує розвиток хроматичного збагачення, коли зір дітей розвивається протягом перших років життя.

Інший тренувальний режим включав лише кольорові зображення. Це наближається до досвіду дітей проекту Prakash, оскільки вони можуть обробляти повноколірну інформацію, щойно їм видаляють катаракту.

Дослідники виявили, що модель, натхненна розробкою, могла точно розпізнавати об’єкти на будь-якому типі зображення, а також була стійкою до інших маніпуляцій з кольором. Однак проксі-модель Prakash, навчена лише на кольорових зображеннях, не показала хорошого узагальнення для зображень у градаціях сірого або змінених відтінків.

«Схоже на те, що модель, яка імітує досвід дітей із програми Prakash, дуже гарно працює з кольоровими зображеннями, але вона дуже погано себе показує з будь-яким іншим. Якщо не починати з навчання із чорно-білими зображеннями, ці моделі просто не узагальнюють отриману інформацію, можливо, через їх надмірну опору на певні колірні підказки”, – говорить Лукас Фогельсанг.

Надійне узагальнення візуальної інформації у моделі, яка проходила етапний розвиток, є не просто наслідком її навчання на кольорових і сірих зображеннях; часове впорядкування цих зображень має велике значення. Інша модель розпізнавання об’єктів, яка спочатку навчалася на кольорових зображеннях, а потім на зображеннях у відтінках сірого, не справлялася з ідентифікацією чорно-білих об’єктів.

«Важливі не лише кроки розвиваючої хореографії, а й порядок, у якому вони розігруються», — каже Сінха.

Аналізуючи внутрішню організацію моделей, дослідники виявили, що ті, які починали з відтінків сірого, навчаються покладатися на яскравість для ідентифікації об’єктів. Коли вони починають отримувати вхідні дані кольору, моделі не сильно змінюють свій підхід, оскільки вони вже навчилися стратегії, яка добре працює. Моделі, які починали вчитись з кольорових зображень, дійсно змінили свій підхід після того, як їм були представлені зображення у градаціях сірого, але вони не змогли змінитися настільки, щоб зробити їх такими ж точними, як моделі, що спочатку отримували зображення у градаціях сірого.

Подібне явище може відбуватися в людському мозку, який має більшу пластичність на ранньому етапі життя і може легко навчитися ідентифікувати об’єкти лише на основі їх яскравості. На ранньому етапі життя нестача інформації про колір насправді може бути корисною для мозку, що розвивається, оскільки він вчиться ідентифікувати об’єкти на основі розрідженої інформації.

«Новонароджена дитина з нормальним зором у певному сенсі позбавлена ​​кольорового зору. І це виявляється перевагою», — каже Даймонд.

Дослідники з лабораторії Синха помітили, що обмеження ранньої обробки великого об’єму сенсорної інформації може також принести користь і іншим аспектам зору, а також слуховій системі.

У 2022 році вони використали обчислювальні моделі, щоб показати, що сприйняття у ранніх етапах розвитку лише низькочастотних звуків, подібних до тих, які діти чують в утробі матері, покращує продуктивність у слухових завданнях, які вимагають аналізу звуків протягом більш тривалого періоду часу, наприклад, розпізнавання емоцій. Тепер вони планують дослідити, чи поширюється це явище на інші аспекти розвитку, такі як оволодіння мовою.

Оригінальна стаття була опублікована на порталі Medical Xpress 23 травня 2024 року.