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大腦如何跟蹤運動(dòng)中的物體?

2018-05-19 來(lái)源:神經(jīng)科技  標簽: 掌上醫生 喝茶減肥 一天瘦一斤 安全減肥 cps聯(lián)盟 美容護膚
摘要:大腦在面對許多感官處理任務(wù)時(shí),會(huì )同時(shí)使用多個(gè)信息輸入源。例如,為了理解語(yǔ)言,我們不僅會(huì )利用聽(tīng)到的聲音,還會(huì )捕捉說(shuō)話(huà)者嘴唇的動(dòng)作,當然前提是我們能看得到他/她。

抓住一個(gè)彈起的球,或者用球拍擊球,這兩種行動(dòng)都需要合理地估算觸球時(shí)間。一直以來(lái),神經(jīng)科學(xué)家都相信,大腦是通過(guò)計算物體的運動(dòng)速度來(lái)完成這些動(dòng)作的。

然而,麻省理工學(xué)院的一項新研究表明,大腦使用的解決方法更加復雜。

新的發(fā)現表明,除了跟蹤速度之外,大腦還會(huì )收集有關(guān)物體運動(dòng)節奏和規律的信息。例如,一個(gè)球彈跳一次的時(shí)間。在他們的新研究中,研究人員發(fā)現,當人們獲得關(guān)于移動(dòng)物體速度和節奏規律(時(shí)間)的信息時(shí),他們會(huì )對運動(dòng)軌跡做出更準確的判斷。

“當人們掌握了這兩種信息時(shí),他們會(huì )變得駕輕就熟,”麻省理工學(xué)院生命科學(xué)教授、MIT麥戈文腦科學(xué)研究院院士MehrdadJazayeri說(shuō)道。“這就像掌握了來(lái)自多種感官的信息輸入。當人們使用多種感官與現實(shí)世界交互時(shí),人們會(huì )獲得更多的數據信息。”

運動(dòng)中的物體

我們獲取周遭移動(dòng)物體信息的方式主要靠視覺(jué)追蹤,利用物體速度和距離的信息,我們的大腦可以計算出物體到達某個(gè)特定點(diǎn)的時(shí)間。現實(shí)中很多的運動(dòng)都是有節奏和規律可循的(比如彈跳的球),這激發(fā)了Jazayeri興趣——他專(zhuān)注于研究大腦是如何記住時(shí)間的。

“我們不禁想問(wèn),大腦怎么會(huì )不利用這些信息呢?如果在我們對周?chē)挛锏母兄^(guò)程中,不利用這些飽含信息的瞬間,那可就太奇怪了,而且一切又會(huì )變成什么樣呢?”Jazayeri表示。

大腦在面對許多感官處理任務(wù)時(shí),會(huì )同時(shí)使用多個(gè)信息輸入源。例如,為了理解語(yǔ)言,我們不僅會(huì )利用聽(tīng)到的聲音,還會(huì )捕捉說(shuō)話(huà)者嘴唇的動(dòng)作,當然前提是我們能看得到他/她。當我們觸摸一個(gè)物體時(shí),我們會(huì )根據看到的大小,以及用手指感覺(jué)到的大小,估計它的實(shí)際尺寸。

至于感知物體運動(dòng)軌跡的任務(wù),如果刨除節奏和時(shí)間的作用,僅靠速度,可能很難完成。“我可以簡(jiǎn)單地讓別人去做一項任務(wù),但是我怎么知道他使用的是速度還是時(shí)間?抑或是兩個(gè)都用?”Jazayeri說(shuō)。

為了克服這個(gè)問(wèn)題,研究人員設計了一種特殊任務(wù),在這個(gè)任務(wù)中參與者可以控制有多少時(shí)間信息可用。然后他們再評估參與者在執行任務(wù)時(shí)的表現。

在這項任務(wù)中,研究參與者要觀(guān)察一個(gè)直線(xiàn)移動(dòng)的球體。在經(jīng)過(guò)一段距離之后,球會(huì )被障礙物擋住,消失在參與者的視野中。他們需要預測球體重新出現的時(shí)間,同時(shí)按下按鈕。

球體在被擋住之前暴露的距離長(cháng)短不同,參與者的表現也有所不同。如果球體在視線(xiàn)中只經(jīng)過(guò)了很短的距離,那么參與者的表現就很糟糕。消失前的可視距離變得越長(cháng),他們就可以更好地計算球體的速度,因此判斷結果得到了改善,不過(guò)最終也會(huì )趨于穩定。

在一段時(shí)間的穩定表現之后,研究人員發(fā)現,當球體消失前經(jīng)過(guò)的距離和障礙物的寬度一樣時(shí),參與者的表現會(huì )大幅提高。這是因為他們知道,距離一樣而且速度保持不變時(shí),球體在障礙物后面花費的時(shí)間與到達障礙物所用的時(shí)間相同。

當到達障礙物的距離變得比障礙物的寬度更長(cháng)時(shí),他們的判斷準確度便開(kāi)始下降。

“擁有這些額外信息是非常重要的,當我們掌握它時(shí),我們就會(huì )自然地使用它,”Jazayeri說(shuō)。“瞬時(shí)結構(Temporalstructure)非常重要,當你失去它時(shí),即使以獲得更佳的視覺(jué)信息為代價(jià),人們的表現也會(huì )變得更糟。”

信息整合

研究人員還測試了幾種電腦模型,觀(guān)察大腦是如何完成這項任務(wù)的。他們發(fā)現,唯一可以準確復制實(shí)驗結果的模型是,大腦在兩個(gè)不同區域分別測量速度和時(shí)間,然后將它們結合起來(lái)的模型。

以前的研究表明,大腦在前運動(dòng)皮質(zhì)進(jìn)行時(shí)間估算,后者在規劃運動(dòng)中發(fā)揮作用。而通常需要視覺(jué)捕捉的速度,是在視覺(jué)皮層中計算的。Jazayeri說(shuō),這些輸入信息很可能在負責空間注意力和追蹤物體的大腦部分中結合,即在頂葉皮層。

在未來(lái)的研究中,Jazayeri希望能夠測量受過(guò)訓練的動(dòng)物的大腦活動(dòng),它們要執行與人類(lèi)參與者一樣的任務(wù)。這可以進(jìn)一步揭示這一過(guò)程發(fā)生的區域,并且還可以揭示在做出錯誤預測時(shí),大腦的反應。

該研究由麥戈文腦研究所資助,發(fā)表于《美國科學(xué)院院刊》上。Jazayeri是該研究的領(lǐng)導者,麻省理工學(xué)院研究生Chia-JungChang是論文的第一作者。

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