یک مطالعه توضیح می دهد که چرا مغز می تواند تصاویر را حتی بدون رنگ به طور قابل اعتماد تشخیص دهد | اخبار MIT

اگرچه سیستم بینایی انسان دارای ماشین آلات پردازش رنگ پیچیده است، اما مغز مشکلی در تشخیص اشیاء در تصاویر سیاه و سفید ندارد. یک مطالعه جدید از مؤسسه فناوری ماساچوست توضیحی ممکن برای چگونگی مهارت مغز در شناسایی رنگ ها و تصاویر تخریب شده ارائه می دهد.

با استفاده از داده‌های تجربی و مدل‌سازی محاسباتی، محققان شواهدی پیدا کردند که نشان می‌دهد ریشه‌های این توانایی ممکن است رشدی باشد. در اوایل زندگی، زمانی که نوزادان اطلاعات رنگی بسیار محدودی دریافت می‌کنند، مغز مجبور می‌شود تا تشخیص دهد که اشیا را بر اساس روشنایی یا شدت نوری که ساطع می‌کنند، به جای رنگشان، تشخیص دهد. در مراحل بعدی زندگی، زمانی که شبکیه و قشر برای پردازش رنگ مجهزتر می شوند، مغز اطلاعات رنگی را نیز در خود جای می دهد، اما همچنین توانایی قبلی به دست آمده برای تشخیص تصاویر را بدون اتکای اساسی به نشانه های رنگی حفظ می کند.

این یافته‌ها با کارهای قبلی که نشان می‌دادند ورودی‌های بینایی و شنوایی در ابتدا دچار اختلال می‌شوند، ممکن است واقعاً برای توسعه اولیه سیستم‌های ادراکی مفید باشد، سازگار است.

“این ایده کلی که چیزی مهم در مورد محدودیت های اولیه ما در سیستم ادراکی ما وجود دارد فراتر از دید رنگی و دقت بینایی است. پاوان سینها، استاد علوم مغز و شناختی در دانشگاه می گوید: «برخی از کارهای انجام شده توسط آزمایشگاه ما در زمینه گوش دادن همچنین نشان می دهد که چیزی مهم در مورد تعیین محدودیت برای اطلاعاتی که در ابتدا سیستم نوزادان در معرض آن قرار می گیرد، وجود دارد. MIT و نویسنده اصلی این مطالعه.

این یافته‌ها همچنین به توضیح این موضوع کمک می‌کند که چرا کودکانی که نابینا به دنیا آمده‌اند اما بینایی‌شان بعداً با از بین بردن آب مروارید مادرزادی بازسازی شده است، در شناسایی اشیاء سیاه و سفید بسیار مشکل‌تر هستند. آن دسته از کودکانی که به محض بهبود بینایی، رنگ‌های اشباع شده را به دست می‌آورند، ممکن است وابستگی بیش از حد به رنگ داشته باشند، که باعث می‌شود در برابر تغییرات یا حذف اطلاعات رنگ مقاومت بسیار کمتری داشته باشند.

مارین فوگلسانگ و لوکاس ووگلسانگ، فوق دکترای MIT و پریتی گوپتا، محقق پروژه پراکاش، نویسندگان اصلی این مطالعه هستند. امروز ظاهر می شود که در علوم پایه. سیدنی دایموند، یک عصب‌شناس بازنشسته که اکنون یک پژوهشگر وابسته در MIT است و اعضای دیگری از تیم پروژه پراکاش نیز نویسندگان این مقاله هستند.

سیاه و سفید دیدن

مطالعه محققان در مورد اینکه چگونه تجربه اولیه رنگ بر تشخیص بعدی اشیا تأثیر می گذارد، از یک مشاهده ساده از مطالعه کودکانی که بینایی آنها پس از تولد با آب مروارید مادرزادی بازسازی شد، نشات گرفت. در سال 2005، سینها راه اندازی شد پروژه پراکاش (کلمه سانسکریت برای “نور”)، تلاشی در هند برای شناسایی و درمان کودکان مبتلا به اشکال برگشت پذیر از دست دادن بینایی.

بسیاری از این کودکان به دلیل آب مروارید متراکم دو طرفه از نابینایی رنج می برند. این عارضه اغلب در هندوستان که بیشترین جمعیت کودکان نابینا در جهان را دارد که بین 200000 تا 700000 تخمین زده می شود درمان نمی شود.

کودکانی که از طریق پروژه پراکاش تحت درمان قرار می‌گیرند، می‌توانند در مطالعات مربوط به رشد بینایی خود نیز شرکت کنند، که بسیاری از آنها به دانشمندان کمک کرده است تا در مورد چگونگی تغییر سازمان مغز پس از بازیابی بینایی، نحوه ارزیابی مغز روشنایی و سایر پدیده‌های مرتبط با بینایی اطلاعات بیشتری کسب کنند.

در این مطالعه، سینها و همکارانش به کودکان یک تست ساده برای تشخیص اشیا دادند که هم تصاویر رنگی و هم سیاه و سفید ارائه می‌کرد. برای کودکانی که با دید طبیعی متولد می شوند، تبدیل تصاویر رنگی به مقیاس خاکستری هیچ تاثیری بر توانایی آنها در تشخیص شی تصویر شده ندارد. با این حال، زمانی که کودکانی که تحت عمل برداشتن آب مروارید قرار گرفته بودند، تصاویر سیاه و سفید ارائه کردند، عملکرد آنها به میزان قابل توجهی کاهش یافت.

این امر باعث شد تا محققان پیشنهاد کنند که ماهیت داده‌های بصری که کودکان در سنین پایین در معرض آنها قرار می‌گیرند ممکن است نقش مهمی در شکل‌دهی مقاومت به تغییرات رنگ و توانایی شناسایی اشیاء ارائه‌شده در تصاویر سیاه و سفید داشته باشد. در نوزادانی که بینایی طبیعی دارند، سلول های مخروطی شبکیه در بدو تولد به خوبی رشد نمی کنند و در نتیجه بینایی ضعیف و دید رنگی ضعیف در نوزادان ایجاد می شود. در سالهای اول زندگی آنها، بینایی با توسعه سیستم مخروطی به طور قابل توجهی بهبود می یابد.

از آنجایی که سیستم بینایی نابالغ اطلاعات رنگی بسیار کاهش یافته را دریافت می کند، محققان این فرض را مطرح کردند که در این مدت مغز نوزاد مجبور به کسب تجربه در تشخیص تصاویر با نشانه های رنگی کاهش یافته است. آنها همچنین پیشنهاد کردند که کودکانی که با آب مروارید به دنیا آمدند و بعداً آنها را برداشتند، ممکن است یاد بگیرند که در هنگام شناسایی اشیا به شدت به نشانه های رنگی تکیه کنند، زیرا همانطور که آنها به طور تجربی در مقاله نشان دادند، با شبکیه بالغ، سفرهای پس از عمل خود را با دید رنگی خوب

برای آزمایش دقیق این فرضیه، محققان از یک شبکه عصبی کانولوشنال استاندارد، AlexNet، به عنوان مدل محاسباتی بینایی استفاده کردند. آنها شبکه را آموزش دادند تا اشیا را با دادن انواع ورودی در طول آموزش تشخیص دهد. به عنوان بخشی از یک رژیم آموزشی، آنها در ابتدا فقط الگوهای تصویر خاکستری را نشان دادند، سپس تصاویر رنگی را معرفی کردند. این تقریباً توسعه غنی سازی رنگی را تقلید می کند زیرا بینایی نوزادان در سال های اول زندگی بالغ می شود.

یک رژیم آموزشی دیگر فقط شامل تصاویر رنگی بود. این تقریباً تجربه کودکان پروژه پراکاش است، زیرا آنها می توانند به محض حذف آب مروارید، اطلاعات تمام رنگی را پردازش کنند.

محققان دریافتند که مدل الهام گرفته از توسعه می تواند اشیاء را در هر دو نوع تصویر به دقت تشخیص دهد و همچنین در سایر دستکاری های رنگی مقاوم است. با این حال، مدل پراکاش پراکسی که فقط بر روی تصاویر رنگی آموزش داده شده است، تعمیم خوبی به تصاویر با مقیاس خاکستری یا دستکاری شده با رنگ نشان نمی دهد.

اتفاقی که می افتد این است که این مدل پراکاش مانند با تصاویر رنگی بسیار خوب است، اما با هر چیز دیگری بسیار بد است. لوکاس ووگلسانگ می‌گوید: «وقتی این مدل‌ها در ابتدا با اختلال در یادگیری رنگ شروع نمی‌کنند، این مدل‌ها به سادگی تعمیم نمی‌یابند، شاید به دلیل اتکای بیش از حد به نشانه‌های رنگی خاص».

تعمیم قوی مدل الهام گرفته از توسعه صرفاً نتیجه آموزش آن بر روی تصاویر رنگی و خاکستری نیست. زمان این تصاویر تفاوت زیادی ایجاد می کند. یکی دیگر از مدل‌های تشخیص اشیاء که ابتدا بر روی تصاویر رنگی و به دنبال آن تصاویر در مقیاس خاکستری آموزش داده شد، در شناسایی اشیاء سیاه و سفید به خوبی عمل نکرد.

سینها می گوید: «این فقط مراحل طراحی رقص نیست که برای پیشرفت مهم است، بلکه ترتیب اجرای آنها نیز اهمیت دارد.

مزایای ورودی حسی محدود

با تجزیه و تحلیل سازمان داخلی مدل‌ها، محققان دریافتند که مدل‌هایی که با ورودی‌های سطح خاکستری شروع می‌شوند، یاد می‌گیرند که برای شناسایی اشیا به درخشندگی تکیه کنند. هنگامی که آنها شروع به معرفی کت و شلوار می کنند، رویکرد خود را تغییر چندانی نمی دهند زیرا قبلاً یک استراتژی را یاد گرفته اند که به خوبی کار می کند. مدل هایی که با تصاویر رنگی شروع کردند، پس از معرفی تصاویر در مقیاس خاکستری، رویکرد خود را تغییر دادند، اما نتوانستند به اندازه کافی تغییر کنند تا آنها را به اندازه مدل هایی که برای اولین بار تصاویر در مقیاس خاکستری به آنها داده شد، دقیق کنند.

یک پدیده مشابه ممکن است در مغز انسان اتفاق بیفتد، مغزی که در اوایل زندگی انعطاف پذیری بیشتری دارد و می تواند به راحتی یاد بگیرد که اشیا را تنها بر اساس روشنایی آنها شناسایی کند. در اوایل زندگی، کمبود اطلاعات رنگی واقعاً می‌تواند برای مغز در حال رشد مفید باشد زیرا می‌آموزد اشیاء را بر اساس اطلاعات پراکنده شناسایی کند.

“به عنوان یک نوزاد تازه متولد شده، کودک با بینایی طبیعی از دید رنگی محروم است. دایموند می‌گوید و این یک مزیت است.

محققان در آزمایشگاه سینها متوجه شده‌اند که محدودیت‌ها در ورودی حسی اولیه می‌تواند برای سایر جنبه‌های بینایی و همچنین سیستم شنوایی مفید باشد. در سال 2022، آن‌ها از مدل‌های محاسباتی استفاده کردند تا نشان دهند که قرار گرفتن زودهنگام در معرض صداهای با فرکانس پایین، شبیه به آنچه که نوزادان در رحم می‌شنوند، عملکرد در کارهای شنوایی را که نیاز به تجزیه و تحلیل صداها در مدت زمان طولانی‌تری دارند، مانند تشخیص احساسات، بهبود می‌بخشد. آنها اکنون قصد دارند بررسی کنند که آیا این پدیده به سایر جنبه های توسعه مانند فراگیری زبان نیز گسترش می یابد یا خیر.

این تحقیق توسط موسسه ملی چشم NIH و آژانس پروژه های تحقیقاتی پیشرفته تامین مالی شده است.