Spatial organization of faces and bodies in single neurons
Diese Studie zeigt, dass Neuronen im inferotemporalen Kortex Gesichter und Körper nicht als translationsinvariante Vorlagen kodieren, sondern durch räumlich lokalisierte Subunits, welche die geometrische Anordnung von Gesichtsmerkmalen bewahren und somit sowohl die Objektidentität als auch die konfigurale Verarbeitung unterstützen.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Das menschliche Gehirn ist ein Meister der Erkennung. Es kann das Gesicht eines Freundes in einer Menge identifizieren, einen vertrauten Baum in einem Wald oder ein bestimmtes Auto auf einem Parkplatz, ungeachtet dessen, wo diese Objekte in unserem Sichtfeld erscheinen oder wie groß sie scheinen. Jahrzehntelang glaubten Wissenschaftler, die den Teil des Gehirns untersuchten, der für dieses hochgradige Sehen verantwortlich ist – bekannt als inferotemporaler Kortex –, dass die Neuronen hier wie perfekte, positionsinvariante Vorlagen fungierten. Die vorherrschende Idee war, dass ein Neuron, sobald es gelernt hatte, wie ein Gesicht aussah, immer dann feuerte, wenn dieses Gesicht erschien, egal ob es in der Mitte Ihres Sichtfeldes, am Rand oder auf dem Kopf stehend auftrat. Diese Theorie legte nahe, dass die letzte Stufe der visuellen Verarbeitung des Gehirns alle unordentlichen Details des Standorts geglättet hatte, um sich rein auf die Identität zu konzentrieren.
Die Erkennung eines Gesichts ist jedoch eine delikate Angelegenheit. Sie beruht nicht nur darauf, die Einzelteile wie Augen oder einen Mund zu sehen, sondern darauf, genau zu verstehen, wie diese Teile zueinander angeordnet sind. Wenn man die Merkmale eines Gesichts durcheinanderbringt, wird es unerkennbar, selbst wenn jedes einzelne Teil noch vorhanden ist. Diese Spannung zwischen der Notwendigkeit zu wissen, „was“ ein Objekt ist, und „wo“ es sich befindet, hat Forscher lange Zeit rätseln lassen. Wenn das Gehirn den Standort wirklich ignoriert, um Objekte zu erkennen, wie bewahrt es dann die präzise Geometrie, die ein Gesicht zu einem Gesicht macht? Eine neue Studie der Harvard Medical School und der University of Pennsylvania stellt die alte Sichtweise infrage und legt nahe, dass die Gesichtserkennungszellen des Gehirns nicht blind für den Standort sind, sondern tief empfindlich dafür; sie bewahren die räumliche Karte des Gesichts innerhalb des Neurons selbst.
Um dies zu untersuchen, wandten sich die Forscher an Makaken, deren visuelle Systeme denen unseren bemerkenswert ähnlich sind. Sie implantierten winzige Elektrodenarrays in die Gehirne der Affen, gezielt in Regionen, die als „Face Patches“ (Gesichtspatches) bekannt sind, in denen Neuronen hochselektiv für Gesichter sind. Das Team führte dann eine Reihe von Experimenten durch, um zu sehen, wie diese Neuronen reagierten, wenn die Affen Bilder betrachteten. In einem ersten Experiment zeigten sie den Affen Bilder von aufrechten Gesichtern und exakt dieselben Bilder, die auf den Kopf gestellt waren. Sie blitzten diese Bilder an verschiedenen Stellen in dem Sichtfeld der Affen auf, indem sie sie in einem Gittermuster verschoben. Wenn die Neuronen wahrhaft positionsinvariant gewesen wären, hätte der Mittelpunkt ihrer Sensitivität unverändert bleiben müssen, unabhängig davon, ob das Gesicht aufrecht oder invertiert war.
Die Ergebnisse waren frappierend. Als die Forscher die Sensitivität dieser Neuronen kartierten, stellten sie fest, dass sich das Zentrum der Aufmerksamkeit des Neurons je nach Orientierung des Gesichts verschob. Konkret: Wenn die Affen ein auf dem Kopf stehendes Gesicht betrachteten, schienen die Neuronen weiter oben im Sichtfeld zu suchen als wenn der Affe ein aufrechtes Gesicht betrachtete. Diese Verschiebung war nicht zufällig; es war eine konsistente, messbare Bewegung. Die Forscher erkannten, dass dies nicht daran lag, dass die Neuronen durch die Invertierung verwirrt waren, sondern weil sie sich auf ein spezifisches Merkmal konzentrierten: die Augen. In einem aufrechten Gesicht befinden sich die Augen oben. In einem auf dem Kopf stehenden Gesicht sind die Augen unten. Die Neuronen feuerten am stärksten, wenn die Augen an einem bestimmten Punkt relativ zur eigenen Position des Neurons landeten. Wenn das Gesicht gedreht wurde, bewegten sich die Augen, und der „Sweet Spot“ des Neurons schien sich mit ihnen zu bewegen. Dies deutte darauf hin, dass die Neuronen nicht das ganze Gesicht als einen einzigen, unveränderlichen Klumpen sahen, sondern stattdessen den spezifischen Ort seiner Teile verfolgten.
Um dies weiter zu testen, zeigten das Team den Affen isolierte Teile des Gesichts und des Körpers, wie etwa nur ein Auge, nur einen Mund, ein ganzes Gesicht oder einen ganzen Körper, die an verschiedenen Orten aufblitzten. Sie fanden ein klares, geordnetes Muster darin, wie die Neuronen reagierten. Neuronen, die Augen bevorzugten, tendierten dazu, am aktivsten zu sein, wenn die Augen im oberen Teil des Sichtfeldes lagen. Neuronen, die Münder oder Körper bevorzugten, waren aktiver, wenn diese Merkmale weiter unten lagen. Dies erzeugte eine Art internen Plan innerhalb des rezeptiven Feldes des Neurons, bei dem oben für die Augen und unten für Münder oder Körper reserviert war. Es war, als ob das Neuron ein miniaturisiertes, räumlich organisiertes Modell eines Gesichts enthielt, statt nur eines generischen Detektors für „Gesichthaftigkeit“.
Die Forscher gingen dann noch einen Schritt weiter und zeigten den Affen tausende natürliche Fotografien, die von Landschaften bis hin zu Porträts reichten, und nutzten ein hochentwickeltes Computermodell, um zu dekodieren, was die Neuronen tatsächlich sahen. Dieses Modell zerlegte die Reaktion des Neurons in kleinere, distinkte Komponenten. Anstatt nur einen einzigen Grund zu finden, warum ein Neuron feuerte, enthüllte das Modell, dass jedes Neuron tatsächlich eine Kombination aus mehreren kleineren, spezialisierten Detektoren war, die zusammenarbeiteten. Ein Teil des Neurons könnte darauf programmiert sein, nach Augen im oberen Sichtfeld zu suchen, während ein anderer Teil nach Händen oder Körpern im unteren Feld Ausschau hielt. Diese Komponenten waren deutlich und räumlich voneinander getrennt, was bestätigte, dass die Sensitivität des Neurons kein gleichmäßiger Mantel war, sondern ein Mosaik aus spezifischen Merkmal-Orte-Paaren.
Diese Erkenntnisse verändern grundlegend unser Verständnis der hochgradigen visuellen Wahrnehmung. Die Studie zeigt, dass das Gehirn keine räumlichen Informationen verwirft, um komplexe Objekte zu erkennen. Stattdessen bewahrt es die Geometrie dessen, was es sieht. Die Neuronen in den Gesichtspatches sind keine translationsinvarianten Vorlagen, die den Ort eines Objekts ignorieren; sie sind räumlich lokalisierte Merkmalsdetektoren, die die Beziehung zwischen den Teilen aufrechterhalten. Dies bedeutet, dass die Fäh Fähigkeit des Gehirns, ein Gesicht ganzheitlich zu erkennen, wahrscheinlich aus der kombinierten Aktivität vieler Neuronen hervorgeht, von denen jedes ein Stück des räumlichen Puzzles hält. Das Gehirn muss das „Wo“ nicht wegwerfen, um das „Was“ zu wissen; es behält beides und verwebt sie zu der nahtlosen Wahrnehmung, die wir jeden Tag erleben. Diese Arbeit legt nahe, dass die Strategie des Gehirns zur Erkennung komplexer Objekte weitaus komplizierter und räumlich präziser ist als bisher angenommen, indem sie sich auf eine strukturierte, kartenähnliche Organisation stützt, die den Formen spiegelt, die sie zu verstehen sucht.
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