nauki ścisłe
Autor: Doris Y. Tsao | dodano: 2019-02-22
Kod twarzy

Badania obszarów mózgu odpowiedzialnych za rozpoznawanie twarzy przybliżają nas do wyjaśnienia neuronalnych podstaw zmysłu wzroku.

Kiedy uczyłam się podstaw rachunku różniczkowego, usłyszałam o zagadnieniu gęstości krzywych. Prosty układ dwóch równań różniczkowych, które opisywały relacje między liczbą drapieżników i ich ofiar, miał rozwiązanie w postaci nieskończonej liczby krzywych zamkniętych – czegoś na kształt koncentrycznych okręgów leżących jeden wewnątrz drugiego. Na dodatek gęstość tych krzywych zmieniała się zależnie od położenia.

Nie mogłam się temu nadziwić. Łatwo mi było wyobrazić sobie skończony zbiór krzywych, których wzajemne odległości zwiększały się lub zmniejszały. Ale w jaki sposób odległości między krzywymi należącymi do nieskończonego zbioru mogły być w jednych obszarach większe, a w innych mniejsze? Wkrótce potem dowiedziałam się, że są różne rodzaje nieskończoności i poznałam związane z nimi paradoksy, takie jak hotel Hilberta (wprawdzie wszystkie pokoje są zajęte, ale żaden nowy gość nie odejdzie z kwitkiem) albo kulę Banacha-Tarskiego (można ją podzielić na pięć części i tak je złożyć, aby powstały dwie kule tej samej wielkości). Przez długie godziny ślęczałam nad dowodami matematycznymi, aż w końcu uznałam, że są to konstrukcje abstrakcyjne, które nie mają znaczenia dla rzeczywistości. Jednak zainteresowanie problemem zagnieździło się w mojej podświadomości.

Nieco później, podczas studiów licencjackich w California Institute of Technology dowiedziałam się o eksperymentach Davida Hubela i Torstena Wiesela, które wykazały, że obszary mózgu w pierwszorzędowej korze wzrokowej są odpowiedzialne za wykrywanie krawędzi w widzianych obrazach. Zrozumiałam, że tym, co zauroczyło mnie w szkole średniej, była próba wyobrażenia sobie różnych gęstości nieskończoności. W przeciwieństwie do sztuczek matematycznych, o których się wtedy uczyłam, linie badane przez Hubela i Wiesela były przetwarzane przez neurony, a więc naprawdę istniały w mózgu. Co ważniejsze, dostrzegłam też, że neuronauka daje możliwość zrozumienia, w jaki sposób aktywność neuronów prowadzi do świadomego postrzegania krzywych.

Trudno opisać ekscytację, jaką odczuwałam, uświadamiając sobie te fakty. Wierzę, że na każdym etapie życia człowiek ma jakieś zadanie do spełnienia. Student powinien marzyć. Trzeba szukać czegoś, co chwyci mocno za serce i czemu warto poświęcić całe życie. Mną zawładnęło pragnienie zrozumienia, jak działa wzrok i jak dzięki elektrycznej aktywności mózgu rozpoznajemy obrazy, nie tylko proste i krzywe, ale też obiekty wizualne tak skomplikowane, jak twarze. Realizacja zadania wymagała ustalenia, jakie ośrodki mózgu są odpowiedzialne za rozpoznawanie twarzy i rozszyfrowania wykonywanego przez neurony programu, czyli tego, jakim sposobem wzór impulsów elektrycznych przekłada się na rozpoznawanie przez nas twarzy.

Moja droga ku odkryciom zaczęła się podczas studiów magisterskich na Harvard University, gdzie zajmowałam się stereopsją, czyli mechanizmem wyczucia odległości na podstawie różnic obrazu rejestrowanego przez parę oczu. Pewnego dnia wpadł mi w ręce artykuł napisany przez zespół Nancy Kanwisher z Massachusetts Institute of Technology donoszący o badaniach prowadzonych za pomocą czynnościowego jądrowego rezonansu magnetycznego (fMRI, functional magnetic resonance imaging), w których wykryto obszar ludzkiego mózgu reagujący silniej na obrazy twarzy niż na obrazy innych obiektów. Z początku artykuł wydał mi się dziwaczny. Wiedziałam wtedy, że w mózgu są takie struktury, jak jądra podstawne i kora oczodołowo-czołowa, których rola nie jest znana i badacze starają się ją wyjaśnić. Ale pomysł istnienia obszarów wyspecjalizowanych w rozpoznawaniu obrazów twarzy wydał mi się tak prosty, że aż nierealny. Każdy mógł sformułować jakąś hipotezę na temat obszaru odpowiedzialnego za rozpoznawanie twarzy – prawdopodobnie reprezentowałby on obrazy twarzy wszystkich znanych nam osób, a dodatkowo być może informacje o ich ekspresji i płci.

W moich studenckich badaniach używałam czynnościowego jądrowego rezonansu magnetycznego, poszukując w mózgu małp obszarów, które reagowałyby na trójwymiarowe obrazy. Postanowiłam więc przy okazji pokazać małpom zdjęcia twarzy i innych obiektów. Kiedy zaczęłam porównywać wyniki, zauważyłam, że w płacie skroniowym (obszarze mózgu pod skronią), a zwłaszcza w dolnej korze skroniowej istnieją obszary, które selektywnie reagują na widok twarzy. Charles Gross, pionier w dziedzinie badań nad działaniem wzroku, odkrył już na początku lat 70., że u makaków w dolnej korze skroniowej występują neurony reagujące selektywnie na obrazy twarzy. Jednak uznał wtedy, że są one tam przypadkowe rozrzucone. Nasze wyniki pomiarów fMRI po raz pierwszy wykazały, że komórki wrażliwe na obraz twarzy mogą być skupione w określonych obszarach.

 

Więcej w miesięczniku „Świat Nauki" nr 03/2019 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
12/2019
10/2018 - specjalny
Kalendarium
Grudzień
5
W 1952 r. nad Londynem utworzył się wielki smog, który utrzymywał się do 9 grudnia i spowodował śmierć 12 tys. mieszkańców miasta.
Warto przeczytać
Czy matematyka w szkole wydawała Ci się trudna? Nudna? Przerażająca?
A może wręcz przeciwnie uwielbiasz matematykę? Niezależnie od odpowiedzi na te pytania, "Matematyka, jakiej nie znacie" jest książką dla Ciebie.

Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Doris Y. Tsao | dodano: 2019-02-22
Kod twarzy

Badania obszarów mózgu odpowiedzialnych za rozpoznawanie twarzy przybliżają nas do wyjaśnienia neuronalnych podstaw zmysłu wzroku.

Kiedy uczyłam się podstaw rachunku różniczkowego, usłyszałam o zagadnieniu gęstości krzywych. Prosty układ dwóch równań różniczkowych, które opisywały relacje między liczbą drapieżników i ich ofiar, miał rozwiązanie w postaci nieskończonej liczby krzywych zamkniętych – czegoś na kształt koncentrycznych okręgów leżących jeden wewnątrz drugiego. Na dodatek gęstość tych krzywych zmieniała się zależnie od położenia.

Nie mogłam się temu nadziwić. Łatwo mi było wyobrazić sobie skończony zbiór krzywych, których wzajemne odległości zwiększały się lub zmniejszały. Ale w jaki sposób odległości między krzywymi należącymi do nieskończonego zbioru mogły być w jednych obszarach większe, a w innych mniejsze? Wkrótce potem dowiedziałam się, że są różne rodzaje nieskończoności i poznałam związane z nimi paradoksy, takie jak hotel Hilberta (wprawdzie wszystkie pokoje są zajęte, ale żaden nowy gość nie odejdzie z kwitkiem) albo kulę Banacha-Tarskiego (można ją podzielić na pięć części i tak je złożyć, aby powstały dwie kule tej samej wielkości). Przez długie godziny ślęczałam nad dowodami matematycznymi, aż w końcu uznałam, że są to konstrukcje abstrakcyjne, które nie mają znaczenia dla rzeczywistości. Jednak zainteresowanie problemem zagnieździło się w mojej podświadomości.

Nieco później, podczas studiów licencjackich w California Institute of Technology dowiedziałam się o eksperymentach Davida Hubela i Torstena Wiesela, które wykazały, że obszary mózgu w pierwszorzędowej korze wzrokowej są odpowiedzialne za wykrywanie krawędzi w widzianych obrazach. Zrozumiałam, że tym, co zauroczyło mnie w szkole średniej, była próba wyobrażenia sobie różnych gęstości nieskończoności. W przeciwieństwie do sztuczek matematycznych, o których się wtedy uczyłam, linie badane przez Hubela i Wiesela były przetwarzane przez neurony, a więc naprawdę istniały w mózgu. Co ważniejsze, dostrzegłam też, że neuronauka daje możliwość zrozumienia, w jaki sposób aktywność neuronów prowadzi do świadomego postrzegania krzywych.

Trudno opisać ekscytację, jaką odczuwałam, uświadamiając sobie te fakty. Wierzę, że na każdym etapie życia człowiek ma jakieś zadanie do spełnienia. Student powinien marzyć. Trzeba szukać czegoś, co chwyci mocno za serce i czemu warto poświęcić całe życie. Mną zawładnęło pragnienie zrozumienia, jak działa wzrok i jak dzięki elektrycznej aktywności mózgu rozpoznajemy obrazy, nie tylko proste i krzywe, ale też obiekty wizualne tak skomplikowane, jak twarze. Realizacja zadania wymagała ustalenia, jakie ośrodki mózgu są odpowiedzialne za rozpoznawanie twarzy i rozszyfrowania wykonywanego przez neurony programu, czyli tego, jakim sposobem wzór impulsów elektrycznych przekłada się na rozpoznawanie przez nas twarzy.

Moja droga ku odkryciom zaczęła się podczas studiów magisterskich na Harvard University, gdzie zajmowałam się stereopsją, czyli mechanizmem wyczucia odległości na podstawie różnic obrazu rejestrowanego przez parę oczu. Pewnego dnia wpadł mi w ręce artykuł napisany przez zespół Nancy Kanwisher z Massachusetts Institute of Technology donoszący o badaniach prowadzonych za pomocą czynnościowego jądrowego rezonansu magnetycznego (fMRI, functional magnetic resonance imaging), w których wykryto obszar ludzkiego mózgu reagujący silniej na obrazy twarzy niż na obrazy innych obiektów. Z początku artykuł wydał mi się dziwaczny. Wiedziałam wtedy, że w mózgu są takie struktury, jak jądra podstawne i kora oczodołowo-czołowa, których rola nie jest znana i badacze starają się ją wyjaśnić. Ale pomysł istnienia obszarów wyspecjalizowanych w rozpoznawaniu obrazów twarzy wydał mi się tak prosty, że aż nierealny. Każdy mógł sformułować jakąś hipotezę na temat obszaru odpowiedzialnego za rozpoznawanie twarzy – prawdopodobnie reprezentowałby on obrazy twarzy wszystkich znanych nam osób, a dodatkowo być może informacje o ich ekspresji i płci.

W moich studenckich badaniach używałam czynnościowego jądrowego rezonansu magnetycznego, poszukując w mózgu małp obszarów, które reagowałyby na trójwymiarowe obrazy. Postanowiłam więc przy okazji pokazać małpom zdjęcia twarzy i innych obiektów. Kiedy zaczęłam porównywać wyniki, zauważyłam, że w płacie skroniowym (obszarze mózgu pod skronią), a zwłaszcza w dolnej korze skroniowej istnieją obszary, które selektywnie reagują na widok twarzy. Charles Gross, pionier w dziedzinie badań nad działaniem wzroku, odkrył już na początku lat 70., że u makaków w dolnej korze skroniowej występują neurony reagujące selektywnie na obrazy twarzy. Jednak uznał wtedy, że są one tam przypadkowe rozrzucone. Nasze wyniki pomiarów fMRI po raz pierwszy wykazały, że komórki wrażliwe na obraz twarzy mogą być skupione w określonych obszarach.