Почему наши мысленные образы остаются четкими, даже когда мы быстро движемся? Группа нейробиологов под руководством профессора Максимилиана Йоша из Института науки и технологий Австрии (ISTA) выявила механизм, который корректирует визуальные искажения, вызванные движением у животных. Исследование, проведенное на мышах, определяет основную функцию, которая может быть обобщена по всей зрительной системе позвоночных, включая приматов, таких как люди. Результаты опубликованы в журнале Nature Neuroscience .

Несмотря на бурное развитие в последние десятилетия, индустрия видеокамер все еще догоняет возможности человеческого глаза. В частности, экшн-камеры предназначены для съемки видеоматериалов с погружением в действие. Поскольку мы оцениваем качество видеоматериалов и потребность в сложном оборудовании и программном обеспечении для оптимизации на основе возможностей человеческого глаза, возникает вопрос: как наши глаза справляются с этим так хорошо?

Исследователи под руководством профессора Максимилиана Йоша из Института науки и технологий Австрии (ISTA) теперь ответили на этот вопрос с техническим мастерством. Три ученых и соавтора Томас Вега-Зунига, Антон Сумсер и Ольга Симонова объединили ряд современных методов, чтобы определить область мозга у мыши, которая может предсказать и минимизировать то, как движения искажают визуальный сигнал. Эта область мозга, находящаяся глубоко в мозге, буквально копирует двигательные команды мозга, чтобы подавить искажения, вызванные движением.

«Мы показываем, что коррекция изображения происходит очень рано во время визуальной обработки — до того, как информация передается в другие области мозга, которые, как известно, представляют более сложные визуальные особенности», — говорит Йош. «Таким образом, мы показываем, что мозг млекопитающих разрабатывает стратегии для эффективной компенсации движения, предсказывая его влияние на зрение».

Ученые Ольга Симонова и Томас Вега-Зунига на установке для визуализации in vivo в Институте науки и технологий Австрии (ISTA). Кредит: ISTA

Кадры Формулы 1 без постобработки
Ученые определили «вентральное латеральное коленчатое ядро» (vLGN) как область мозга, ответственную за это встроенное высокотехнологичное программное обеспечение для оптимизации видео. Оно расположено в латеральном таламусе, яйцевидной структуре в центре мозга, под корой больших полушарий.

Исследователи обнаружили, что vLGN объединяет различные двигательные и сенсорные сигналы со всего мозга и действует как центр для вычисления всеобъемлющего корректирующего сигнала. Одним из примеров является «расплывчатость» визуальных сигналов, как только глаз движется. Это позволяет более поздним этапам визуальной обработки вычисляться гораздо эффективнее.

«Подумайте о стратегиях, которые позволят вам получить качественные видеокадры во время гонки «Формулы-1». Поскольку машины движутся очень быстро, время экспозиции приходится сокращать, чтобы сделать финальные кадры менее размытыми», — объясняет Йош.

Такие кадры можно транслировать в прямом эфире по телевидению без какой-либо постобработки. Примерно это и делает vLGN, помогая нам отличать наше собственное движение от движения окружающего мира. Однако, в отличие от неподвижной камеры, показывающей проносящиеся мимо машины, vLGN мозга обрабатывает сигналы аналогично бортовой съемке «глаза водителя» Формулы-1, динамически компенсируя движение, чтобы стабилизировать то, что мы воспринимаем.

Ученые Томас Вега-Зунига и Ольга Симонова и профессор Максимилиан Йош в Институте науки и технологий Австрии (ISTA). Кредит: ISTA
Основная функция, которая осталась незамеченной
Предыдущие работы искали механизм, который эффективно регулирует зрение во время движения. Большая часть этой работы была сосредоточена на изучении саккадических движений глаз у приматов. Саккады — это быстрые перемещения центра взгляда из одной части поля зрения в другую, движение, которое теоретически должно размывать или создавать мысленный образ, но не всегда это делает. Однако эти исследования были сосредоточены на корковых структурах, которые участвуют в гораздо более поздних стадиях пути обработки зрительной информации.

В противоположность этому, наша сенсорная система постоянно «бомбардируется» различными типами движений. Поэтому, чем раньше мозг сможет компенсировать движение в зрении, тем лучше, объясняет Йош. «Наши результаты, вероятно, не были обнаружены до сих пор, потому что мы изучали этапы в пути обработки зрительной информации, где изображение уже было скорректировано».

Теперь ученые ISTA выдвигают гипотезу, что их выводы о vLGN у мышей представляют собой основную функцию в мозге млекопитающих. «Подобные структуры существуют у приматов, и это, скорее всего, относится и к людям. Это делает наши результаты очень интересными», — говорит Йош.

Система виртуальной реальности для визуализации мозга in vivo
Среди передовых технологий, которые использовали ученые ISTA, был специально созданный двухфотонный кальциевый микроскоп визуализации. Эта техника позволяет команде измерять нейронную активность vLGN в неповрежденном мозге, пока мыши бодрствуют и ведут себя нормально в системе виртуальной реальности.

«Благодаря этой установке мы можем заглянуть в мозг мыши и наблюдать за активностью нервов vLGN, пока мышь бродит по виртуальному миру», — говорит Йош.

Используя этот метод, команда обнаружила, что vLGN получает очень специфичные копии поведенческих инструкций, которые можно использовать для «расслабления» визуальных искажений во время движения. «Эта статья была настоящим техническим туром силы, в котором использовались множественные подходы для получения всестороннего понимания роли vLGN в мозге мыши», — говорит Йош. «Мы с нетерпением ждем, куда приведут нас последующие исследования».