Όσα βλέπουν τα ποντίκια: Αναδημιουργία βίντεο από την εγκεφαλική τους δραστηριότητα

Επιστήμονες του University College London (UCL) κατόρθωσαν να ανασυνθέσουν βιντεοσκοπήσεις διάρκειας 10 δευτερολέπτων αποκλειστικά από τη νευρική δραστηριότητα του εγκεφάλου ποντικιών. Πρόκειται, σύμφωνα με τους ίδιους, για την πρώτη φορά που φυσικά βίντεο ανακτώνται επιτυχώς από καταγραφές μεμονωμένων νευρώνων στον οπτικό φλοιό. Τα αποτελέσματα της έρευνας, που δημοσιεύθηκαν στο επιστημονικό περιοδικό eLife, ανοίγουν νέους δρόμους στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο ο εγκέφαλος επεξεργάζεται και παραμορφώνει την οπτική πληροφορία.

Η ερευνητική ομάδα, υπό τον Δρ. Joel Bauer του Sainsbury Wellcome Centre στο UCL, ανέπτυξε ένα δυναμικό μοντέλο νευρωνικής κωδικοποίησης, αρχικά σχεδιασμένο για τον Διαγωνισμό Sensorium του 2023. Το μοντέλο προβλέπει τη δραστηριότητα μεμονωμένων νευρώνων βάσει βίντεο εισόδου, λαμβάνοντας υπόψη τις κινήσεις και τη διάμετρο της κόρης του ποντικιού.

Για την υλοποίηση της μελέτης, οι επιστήμονες κατέγραψαν τη δραστηριότητα των νευρώνων στον οπτικό φλοιό χρησιμοποιώντας απεικόνιση ασβεστίου δύο φωτονίων — μια τεχνική που ανιχνεύει ποια εγκεφαλικά κύτταρα είναι ενεργά, ανάλογα με τις τοπικές αυξήσεις ασβεστίου. Τα ποντίκια παρακολουθούσαν σύντομα βίντεο κλιπ, ενώ στη συνέχεια οι ερευνητές εισήγαγαν κενά δεδομένα στο μοντέλο, προσαρμόζοντας επαναληπτικά τα εικονοστοιχεία έως ότου η τεχνητή νοημοσύνη προβλέψει τα ίδια πρότυπα νευρωνικής δραστηριότητας που είχαν καταγραφεί.

Το σύνολο δεδομένων περιελάμβανε περίπου 8.000 νευρώνες ανά ποντίκι, σε δείγμα δέκα ζώων, με τις τελικές ανακατασκευές να προέρχονται από πέντε ποντίκια. «Χρησιμοποιώντας αυτή την προσέγγιση, καταφέραμε να επιτύχουμε ανακατασκευές υψηλής ποιότητας βίντεο κλιπ διάρκειας 10 δευτερολέπτων», δήλωσε ο Δρ. Bauer σε δελτίο Τύπου του UCL. «Η ακρίβεια των ανακατασκευών βελτιώθηκε με τη συμπερίληψη δεδομένων από περισσότερους μεμονωμένους νευρώνες, αποδεικνύοντας τη σημασία των ολοκληρωμένων νευρωνικών δεδομένων».

Η νέα μέθοδος κατέγραψε περίπου διπλάσια συσχέτιση σε επίπεδο pixel σε σχέση με προηγούμενες προσπάθειες ανακατασκευής στατικών εικόνων από τη δραστηριότητα του οπτικού φλοιού ποντικιών. Παράλληλα, αποδίδει τις χρονικές δυναμικές στα 30 καρέ ανά δευτερόλεπτο. Σε αντίθεση με προσεγγίσεις που βασίζονται σε λειτουργική μαγνητική τομογραφία (fMRI) σε ανθρώπους και σε προεκπαιδευμένα μοντέλα τεχνητής νοημοσύνης, η συγκεκριμένη τεχνική λειτουργεί απευθείας από καταγραφές μεμονωμένων κυττάρων, προσφέροντας ένα πιο ακριβές μέτρο των νευρωνικών αναπαραστάσεων.

Η ομάδα του UCL σχεδιάζει να αξιοποιήσει την τεχνολογία για να διερευνήσει πώς οι οπτικές αναπαραστάσεις του εγκεφάλου αποκλίνουν από την πραγματικότητα. «Δεν έχουμε μια τέλεια αναπαράσταση του κόσμου στο μυαλό μας», σημείωσε ο Δρ. Bauer. «Αυτή η απόκλιση μεταξύ της πραγματικότητας και των αναπαραστάσεων στον εγκέφαλο δεν είναι κατ’ ανάγκη ένα σφάλμα αλλά ένα χαρακτηριστικό, που αντανακλά τον τρόπο με τον οποίο το μυαλό μας ερμηνεύει και εμπλουτίζει την αισθητηριακή πληροφορία».

Πηγή: EurekAlert