5. Методы когнитивной нейронауки II

Методы когнитивной нейронауки человека на примере восприятия лиц

Повестка и научные вопросы

Мы рассматриваем методы когнитивной нейронауки человека и иллюстрируем их на примере восприятия лиц. Это особенно богатая область исследований, где есть много что сказать с помощью разных методов.

Методы в любой области науки существуют только для того, чтобы давать ответы на научные вопросы. Они не для того, чтобы впечатлять друзей или коллег модными штуками. Всегда нужно начинать с вопросов.

Вопросы на уровне вычислительной теории Марра

Мы спрашиваем:

• Какая проблема решается и почему это важно для организма?
• Что является входом?
• Что является выходом?
• Как мы переходим от входа к выходу?

Для восприятия лиц: вход попадает на сетчатку, происходит обработка, и мы получаем выход. Одна из главных проблем — лица выглядят по-разному каждый раз, когда вы их видите:

• Освещение меняется
• Ориентация лица меняется
• Причёска меняется
• Настроение меняется
• Люди наносят макияж, сбривают волосы на лице

Тем не менее мы справляемся очень хорошо.

Поведенческие исследования

Инвариантные представления

Способ решения этой задачи принципиально различается для людей, которых мы хорошо знаем, и людей, которых знаем плохо. Наша способность извлекать инвариантное представление — абстрактно понять, кто это, — гораздо лучше для знакомых лиц, чем для незнакомых. У нас нет совершенно общей способности взять любое лицо и абстрагировать его полностью независимую от изображения версию.

Эффект инверсии лица

Роберт Ин в своей докторской диссертации использовал секундомер и бумагу. Он показывал людям лица в вертикальном положении, затем проверял их. После провёл точно такой же эксперимент на другом наборе лиц, но все они были перевёрнуты вверх ногами.

Результат: люди справляются с задачей гораздо хуже, когда лица перевёрнуты. Это эффект инверсии лица. Более того, этот эффект больше для лиц, чем для других видов стимулов (домов, палочных фигур). Это говорит о том, что распознавание лиц может работать по-другому, чем распознавание других классов стимулов.

Вопрос из аудитории: не может ли это быть просто потому, что лица гораздо сложнее, чем дома или палочные фигуры? Ответ: это очень хороший вопрос. Идея о непропорциональном эффекте для лиц была стандартной, но сейчас появились сомнения с другими видами стимулов. Для целей курса это устойчивый эмпирический результат.

Существует много версий эффекта инверсии лица. Например, перевёрнутые гротескно искажённые лица выглядят нормально, но при повороте становится понятно, что происходит что-то странное. Вы гораздо более чувствительны к таким лицам в правильном положении.

Сильные и слабые стороны поведенческих методов

Сильные стороны:

• Хороши для характеристики внутреннего представления (хотя бы качественно)
• Хороши для различения ментальных феноменов
• Дёшево

Слабые стороны:

• Не имеют отношения к мозгу без дополнительной работы
• Данные довольно скудны (в основном точность и время реакции)
• Есть только выход, но большинство ментальных процессов имеют много стадий обработки

Функциональная МРТ

Гипотеза о specialised области для лиц

Гипотеза: существует особая область мозга, которая избирательно реагирует на лица. Способ проверки — поместить людей в сканер и показать им лица и объекты.

Результат: маленький участок мозга (горизонтальный срез, задняя часть головы) реагирует гораздо сильнее на лица, чем на объекты. Это веретенообразная область лица.

Логика экспериментального плана

1. Начинаем с гипотезы
2. Оцениваем, насколько данные её поддерживают
3. Ищем альтернативные объяснения
4. Проверяем альтернативные гипотезы

Ключевая идея: мы идентифицируем эту область у каждого испытуемого индивидуально с помощью функционального сканирования (локализаторный прогон). Точное местоположение варьируется от испытуемого к испытуемому, поэтому нужно сначала найти её функционально, а затем задавать новые вопросы.

Условия — это экспериментальный жаргон, означающий то, чем мы манипулируем. В данном случае мы манипулируем стимулом и измеряем величину ответа в веретенообразной области лица.

Дополнительные эксперименты

Тот же стимул, перевёрнутый вверх ногами — крайняя версия эффекта инверсии лица. В одном случае вы видите лицо, в другом — нет. Реакция веретенообразной области лица намного сильнее на вертикальную версию. Это позволяет исключить альтернативы, что область избирательна для пространственных частот, контраста или информации о затенении.

Вопрос из аудитории: измеряли ли реакцию до того, как человек узнавал лицо? Ответ: в большинстве случаев стимулы подбирались так, чтобы большинство людей видели лицо в вертикальных стимулах и не видели в перевёрнутых.

Вопросы для размышления

• Говорит ли нам надёжность этой области у всех испытуемых, что она врождённая? (Не очевидно)
• Означает ли избирательность реакции, что эта область необходима для распознавания лиц? (Нужно проверять)

Преимущества и недостатки фМРТ

Преимущества:

• Лучшее пространственное разрешение для неинвазивных исследований на нормальных испытуемых

Недостатки:

• Не знаем, причинно ли область вовлечена в восприятие
• Не знаем, что происходит на нейронном уровне (BOLD-ответ — изменение кровотока)
• Пространственное разрешение ужасно по сравнению с записью отдельных нейронов
• Очень дорого (более 600 долларов в час)
• Трудно получить сигнал в некоторых частях мозга
• Громкий шум
• Временное разрешение не соответствует временному масштабу зрения

Почему фМРТ медленная? Требуется много времени, чтобы кровоток изменился после увеличения нейронной активности.

Вопрос о скорости распознавания

Функциональная МРТ не ответит на вопрос, как быстро происходит распознавание лиц. Нужен другой метод.

Электроэнцефалография (ЭЭГ)

Электроды приклеиваются на голову. Можно использовать старые устройства с 10 электродами или современные сетки с несколькими сотнями электродов.

Преимущества:

• Полностью неинвазивно
• Прекрасная онлайн-временная мера нейронной активности

Недостатки:

• Электрические потенциалы размазываются по скальпу
• Пространственное разрешение ужасное

Аналогия: это как воткнуть микрофон внутри верхней части футбольного стадиона. Вы узнаете, когда забит тачдаун, но не сможете определить, что один человек говорит другому на трибунах.

Статья Торпа: как быстро мы определяем, содержит ли изображение животное?

Почему не использовать время реакции? Потому что оно включает моторную активность (определение кнопки, посыл сигнала к пальцу).

Торп собирает ответы из нейронов в голове, усредняя по лобным электродам. Средний ответ, когда есть животное, отличается от ответа, когда животного нет. Это даёт границу: менее 150 мс.