Esileht > ajuteadus > Ajumustrite statistikas peitub ümbritseva maailma mudel

Ajumustrite statistikas peitub ümbritseva maailma mudel

Aitäh Renatele, kes võttis lugejate jaoks kokku ühe fantastilise hiljuti ilmunud teadustöö, mis näitab, et spontaanne ajuaktiivsus peegeldab keskkonna seaduspärasusi:

Teadlastele meeldib ikka ehitada mudeleid, mis suudaksid seletada katsetes leitud tulemusi. Viimastel aastatel on modelleerimises järjest edukamalt rakendatud Bayesi statistilist raamistikku ja huvi Bayesi mudelite vastu kasvab pidevalt. Bayesi raamistikus on nüüdseks suudetud ära seletada terve rida tajuelamuste omapärasid abstraktsel tasandil, aga Bayesi mudelite suurim võlu peitub selles, et nad on teoreetiliselt sobilikud ka tulemuste seletamiseks neuronaalsel tasandil.

Selliste mudelite kohaselt toetub aju sisendi tõlgendamisel kahte sorti teadmistele: esiteks eelnevatele teadmistele keskkonnas leiduvate seaduspärasuste kohta (millised nähtused käivad tihti käsikäes; mis nähtused on tõenäolised ja millised esinevad ainult väga harva) ja teiseks teadmistele selle kohta, milliseid sisendeid erinevad nähtused tekitavad (kuidas näitaks kohvitass erinevate vaatenurkade alt välja näeb). Neid teadmisi arvesse võttes on võimalik leida kõige tõenäolisem seletus antud sisendi jaoks. Et aga niiviisi leitud seletused oleksid õiged, peavad teadmised olema hästi kohanenud keskkonna omadustega. Põhimõtteliselt võib seda endale ette kujutada nii, et ajus on salvestatud terviklik füüsilise maailma mudel, ja see mudel sisaldab ka kõiki tähtsaid statistilisi seoseid erinevate väliskeskkonna nähtuste vahel.

Kuigi idee, et aju töötleb sisendit statistilises kontekstis, on väga atraktiivne, pole otsest tõendusmaterjali selle kohta veel piisavalt leitud. Sellel aastal ilmus ajakirjas Science üks artikkel, kus Berkes jt. (2011) väga kavalalt uurisid, kas ajus (täpsemalt esmases visuaalses korteksis ehk V1s) on rakendatud Bayesi mudel. Nad mõõtsid erinevas vanuses tuhkrute V1 aktiivsusmustreid ja ennustasid, et loomade vanusest oleneb, kui hästi V1 on kohanenud keskkonnaga, sest loomade vanus on muidugi seoses sellega, kui kaua loomad vastava keskkonna seaduspärasusi õppinud on. Aga kuidas eraldada V1 aktiivsusest ajusisest mudelit ja kuidas kontrollida, et see mudel on optimaalselt keskkonnaga kohanenud? Autorid tuletasid Bayesi raamistiku najal, et kui stiimulitest tingitud ajuaktiivsus tekib stiimulispetsiifilise sisendi ja ajusisesest mudeli koostoimel, siis peaks tingimatu ajuaktiivsus (spontaanne aktiivsus stiimulite puudumisel) peegeldama ainult ajusisese mudeli statistikat. Kui aga ajusisese mudeli (spontaanse aktiivsuses) statistika on tõepoolest optimaalselt kohanenud keskkonna statistikaga, siis peaks spontaanne aktiivsus olema sarnane just nimelt keskmise tingitud aktiivsusega (Huvitatud lugeja võib artikli lisamaterjalidest lugeda, miks see just nii võiks olla).

Niisiis võrdlesid Berkes jt. (2011) V1 neuronite spontaanset aktiivsust samade neuronite aktiivsusega juhul, kui loomad vaatasid erinevaid stiimuleid, ja leidsid päris mitu huvitavat fakti.

1. Erinevus keskmise tingitud aktiivsuse ja spontaanse aktiivsuse vahel vähenes loomade vanusega. Täiskasvanud loomade ajus ei erinenud need jaotused üksteisest enam märkimisväärsel määral. Millised muutused neurovõrgustikus põhjustasid selle sarnasuse? Berkes et al. (2011) suutsid näidata, et tähtis polnud mitte üksikneuronite aktiivsuse muutumine arengu jooksul, vaid hoopis kasvav korrelatsioon neuronite aktiivsuse vahel (nii ajas kui ka ruumis).
2. Berkes et al. (2011) näitasid tuhkrutele kolme eri sorti stiimuleid: esiteks filmi “Matrix” treilerit, teiseks liikuvaid joonelisi mustreid ja kolmandaks must-valget pikslimüra. Kui V1 neuronite aktiivsus on kohanenud just loomuliku ümbruskonna sisendiga, siis peaks nende neuronite spontaanne aktiivsus sarnanema kõige rohkem filmi poolt tingitud aktiivsusega. Ja tõepoolest, kui täiskasvanud tuhkrud vaatasid erinevaid joonelisi mustreid üle ekraani libisemas või must-valget pikslimüra, siis ei sarnanenud neuronite tingitud aktiivsus sugugi enam nii palju spontaansele aktiivsusele kui loomuliku keskkonna seaduspärasusi (vähemalt mingil määral) sisaldav filmijupp.

Autorid järeldavad, et V1 spontaansetes aktiivsusmustrites on rakendatud statistiline mudel keskkonnast, mis kohaneb arengu käigus loomuliku ümbruskonna statistikaga. Lisaks ennustavad Berkes jt. (2011), et nende meetodi abil on võimalik samasuguseid statistilisi mudeleid leida ka teistes ajupiirkondades.

Allikas:
Berkes jt. (2011) Spontaneous cortical activity reveals hallmarks of an optimal internal model of the environment. Science.

Rubriigid:ajuteadus
  1. Leopold
    juuni 4, 2011, 2:35 e.l.

    Bayesi mudeleid on laialt kasutatud ka 6ppimise uurimiseks. Josh Tenenbaum on pikalt uurinud erinevate mudelite (tihti Zoubin Ghahramani arendatute) sobivust inimeste teadmiste struktuuri kirjeldamiseks. Mulle v2ga meeldis tema ylevaateartikkel “How to grow a mind: statistics, structure, and abstraction” – 2kki on teistelgi p6nev lugeda
    http://web.mit.edu/cocosci/Papers/tkgg-science11-reprint.pdf

    Muidu mulle Renate yle vaadatud artikkel meeldib, vahest ainult paneb kulmu kergitama pidev jutt sisemise mudeli optimaalsusest – piisab ka sellest, et ta oleks lihtsalt h2sti kohandunud. Intuitiivselt on “ilmne”, et kergem on m6elda asjadest millest me oleme palju m6elnud, ja keeruline m6elda m6eldamatust🙂 Selle taustal on yllatav, et kasutati Matrixit, mitte videot tuhkrute igap2evaelu kaadritest.

    Lisaks oleks tahtnud n2ha p2riselt neid jaotusi mida v6rreldi – KL-divergence v6ib olla domineeritud myra poolt v6i lihtsalt on m6ni elektrood veidi m88da. N2iteks kui noortel tuhkrutel on juhuslikku neuronite aktiivsust rohkem, v6ib saada sama tulemuse kui joonisel 2B (jooniselt S1 paistab et see pole probleem). Siis paiskaks veel v2lja, et on v2ike vahe reaktsioonil pikslimyrale ja filmile (4A,C) – 2kki vanad tuhkrud on lihtsalt oma m6ttemallides kinni. Siit on keeruline v2lja lugeda adaptsiooni maailmale v6rreldes lihtsalt struktureerituma aktiivsusega. Kindlasti teadjamad n2evad nendest vingumistest yle, artikkel oli tore!

    Leopold, diletant

  2. jaanaru
    juuni 4, 2011, 7:35 p.l.

    jah, see Matrixi (!!) treiler (!!) kui loomulik stimulatsioon paneb muigama ja võimaldab teha oletusi autorite enda loomuliku keskkonna kohta. Minu arvates oleks katse veel parem olnud, kui nad oleksid tuhkrute kasvukeskkonda manipuleerinud. Tuhkrutega saaks seda teha ju küll, et ühed tuhkrud paned elama triibulisse maailma, teised mummulisse ja kolmandad … Matrixisse. sest praegu võiks ju põhimõtteliselt ka öelda, et jah, see “optimaalne mudel” on kuidagi peidus aju struktuuris, aga kõik efektid muutuvad arenguga tugevamaks ainult seetõttu, et mingi “ettemääratud /geneetiline/ programm” muudab aju struktuuri aja jooksul selliseks (st põhitulemused ei oleks tingitud mitte keskkonnast, vaid geneetilisest mõjust aju struktuurile, mis väljendub aja jooksul). sellise argumendi vastu saaks, kui kasvatada tuhkruid erinevates keskkondades ja näidata, et efektid on keskkonna-spetsiifilised.

  3. Leopold
    juuni 5, 2011, 11:31 e.l.

    Jah, keskkonnaspetsiifilisus on “keskkonna optimaalse mudeli” n2itamiseks oluline, ja antud artiklis v2hese kuid mitte olematu t6endusmaterjaliga. Kusjuures ei pea olema “programmi”, minu arust seletab praegusi tulemusi ka juhuslik kinnistumine ilma igasuguse ettem22ratuseta.

    Sinu pakutud katsed oleks p6nevad, aga tuhkrutele mitte meeldivad. V2ikeste kiisudega on visuaalset v2lja m6jutavaid katseid (sh silmade kinni 6mblemine) tehtud Colin Blakemore’i laboris Oxfordis, ja selle eest on nii teda kui tema kolleege ja perekonda aastakymneid 2hvardatud ja rynnatud. Olgu 8eldud, et t2nu sellele saime aru ka k6ige sagedasema laste pimeduse p6hjustest.

    Aga artiklist endast veel – nagu vist Sciencisse sisse saamiseks on tarvis, olid pealkirjas tugevad, ylbed s6nad “hallmark” ja “optimal”, mis panid joonisel 4A punast ja sinist v6rreldes veidi kulmu kergitama. Viimase v2ikese viginana oli neil v2he loomi (3-6 ryhma kohta) ja seet6ttu oleks tahtnud peale keskmise + SEMi n2ha ka lihtsalt andmepunkte.

  4. jaanaru
    juuni 5, 2011, 8:24 p.l.

    Sa kergitad küll tihti kulme (keskmiselt korra kommentaari kohta), aga Su tähelepanekud on väga tänuväärsed ja panid mindki seda tööd uuesti pisut kriitilisemalt üle vaatama. aitäh!

    Muuseas, W.Singer, kellega Sulgi Frankfurdis kohtuda õnnestus, on teinud mitmeid Colin Blakemore’iga võrdväärseid katseid kiisudega, ehkki jääb viimasele siiski vastava kuulsuse (ja kurikuulsuse) poolest alla.

  5. jaanaru
    juuni 6, 2011, 2:26 p.l.

    ma siiski arvan, et mu pakutud katseid saaks läbi viia, sest ega neid tuhkruid metsast ei võetud – oleks piisanud sellest, kui erinevaid tuhkruid hoida arengu ajal erineva tapeediga tubades, kus hooldajad kannavad erinevat värvi kostüüme jne. st Matrixi variant jääks ära, aga tehes pärast filmilindi ühest toast või teisest toast, saaks antud töö aluseks olnud hüpoteesi palju täpsemalt kontrollida.

  6. jaanaru
    juuni 23, 2011, 11:58 e.l.

    Ehkki elu jooksul muutuvad ajuaktiivsuse spontaansed mustrid sarnasemaks ümbritseva maailma poolt tekitatavale ajuaktiivsusele, ei tähenda see, et aju oleks sündides tabula rasa, nagu näitab kenasti see hiljutine Blue Brain projekti teadlaste töö – http://www.pnas.org/content/early/2011/03/03/1016051108.abstract ; Blue Braini projekti kodulehelt võib selle artikli kohta leida järgneva lühikokkuvõtte – http://actu.epfl.ch/news/new-evidence-for-innate-knowledge-5/

  7. jaanaru
    november 28, 2012, 6:03 p.l.

    nüüd kaevasid ajuteaduse gurud Carandini ja Harris sellele Science’i tööle paraja augu, kust on üsna raske välja ronida: http://www.jneurosci.org/content/32/48/17108.abstract

  8. jaanaru
    oktoober 17, 2013, 2:44 p.l.

    Fiser, Berkes ja teised on sellele eelmises kommentaaris viidatud kriitikale ka vastanud – http://arxiv.org/pdf/1301.6554.pdf (seal on ka vastus vastusele, mis on leitav siit – http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1303/1303.3287.pdf )

  1. No trackbacks yet.

Lisa kommentaar

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Muuda )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Muuda )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Muuda )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Muuda )

Connecting to %s