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大腦如何跟蹤運(yùn)動(dòng)中的物體?

2018-05-19 來源:神經(jīng)科技  標(biāo)簽: 掌上醫(yī)生 喝茶減肥 一天瘦一斤 安全減肥 cps聯(lián)盟 美容護(hù)膚
摘要:大腦在面對(duì)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,為了理解語言,我們不僅會(huì)利用聽到的聲音,還會(huì)捕捉說話者嘴唇的動(dòng)作,當(dāng)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,神經(jīng)科學(xué)家都相信,大腦是通過計(jì)算物體的運(yùn)動(dòng)速度來完成這些動(dòng)作的。

然而,麻省理工學(xué)院的一項(xiàng)新研究表明,大腦使用的解決方法更加復(fù)雜。

新的發(fā)現(xiàn)表明,除了跟蹤速度之外,大腦還會(huì)收集有關(guān)物體運(yùn)動(dòng)節(jié)奏和規(guī)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(xiàn),當(dāng)人們獲得關(guān)于移動(dòng)物體速度和節(jié)奏規(guī)律(時(shí)間)的信息時(shí),他們會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡做出更準(zhǔn)確的判斷。

“當(dāng)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說道。“這就像掌握了來自多種感官的信息輸入。當(dāng)人們使用多種感官與現(xiàn)實(shí)世界交互時(shí),人們會(huì)獲得更多的數(shù)據(jù)信息。”

運(yùn)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追蹤,利用物體速度和距離的信息,我們的大腦可以計(jì)算出物體到達(dá)某個(gè)特定點(diǎn)的時(shí)間?,F(xiàn)實(shí)中很多的運(yùn)動(dòng)都是有節(jié)奏和規(guī)律可循的(比如彈跳的球),這激發(fā)了Jazayeri興趣——他專注于研究大腦是如何記住時(shí)間的。

“我們不禁想問,大腦怎么會(huì)不利用這些信息呢?如果在我們對(duì)周圍事物的感知過程中,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(duì)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,為了理解語言,我們不僅會(huì)利用聽到的聲音,還會(huì)捕捉說話者嘴唇的動(dòng)作,當(dāng)然前提是我們能看得到他/她。當(dāng)我們觸摸一個(gè)物體時(shí),我們會(huì)根據(jù)看到的大小,以及用手指感覺到的大小,估計(jì)它的實(shí)際尺寸。

至于感知物體運(yùn)動(dòng)軌跡的任務(wù),如果刨除節(jié)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(xiàng)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。

為了克服這個(gè)問題,研究人員設(shè)計(jì)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?cè)僭u(píng)估參與者在執(zhí)行任務(wù)時(shí)的表現(xiàn)。

在這項(xiàng)任務(wù)中,研究參與者要觀察一個(gè)直線移動(dòng)的球體。在經(jīng)過一段距離之后,球會(huì)被障礙物擋住,消失在參與者的視野中。他們需要預(yù)測(cè)球體重新出現(xiàn)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(zhǎng)短不同,參與者的表現(xiàn)也有所不同。如果球體在視線中只經(jīng)過了很短的距離,那么參與者的表現(xiàn)就很糟糕。消失前的可視距離變得越長(zhǎng),他們就可以更好地計(jì)算球體的速度,因此判斷結(jié)果得到了改善,不過最終也會(huì)趨于穩(wěn)定。

在一段時(shí)間的穩(wěn)定表現(xiàn)之后,研究人員發(fā)現(xiàn),當(dāng)球體消失前經(jīng)過的距離和障礙物的寬度一樣時(shí),參與者的表現(xiàn)會(huì)大幅提高。這是因?yàn)樗麄冎?,距離一樣而且速度保持不變時(shí),球體在障礙物后面花費(fèi)的時(shí)間與到達(dá)障礙物所用的時(shí)間相同。

當(dāng)?shù)竭_(dá)障礙物的距離變得比障礙物的寬度更長(zhǎng)時(shí),他們的判斷準(zhǔn)確度便開始下降。

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

信息整合

研究人員還測(cè)試了幾種電腦模型,觀察大腦是如何完成這項(xiàng)任務(wù)的。他們發(fā)現(xiàn),唯一可以準(zhǔn)確復(fù)制實(shí)驗(yàn)結(jié)果的模型是,大腦在兩個(gè)不同區(qū)域分別測(cè)量速度和時(shí)間,然后將它們結(jié)合起來的模型。

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

在未來的研究中,Jazayeri希望能夠測(cè)量受過訓(xùn)練的動(dòng)物的大腦活動(dòng),它們要執(zhí)行與人類參與者一樣的任務(wù)。這可以進(jìn)一步揭示這一過程發(fā)生的區(qū)域,并且還可以揭示在做出錯(cuò)誤預(yù)測(cè)時(shí),大腦的反應(yīng)。

該研究由麥戈文腦研究所資助,發(fā)表于《美國(guó)科學(xué)院院刊》上。Jazayeri是該研究的領(lǐng)導(dǎo)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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