靈長類動(dòng)物中快速視覺對象處理所必需的通過前額葉皮層的循環(huán)處理為開發(fā)類似于大腦的人工智能提供了關(guān)鍵見解。麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)確定了一條大腦通路，對于使靈長類動(dòng)物能夠輕松識(shí)別其視野中的物體至關(guān)重要。這些發(fā)現(xiàn)豐富了視覺感知中涉及的神經(jīng)電路的現(xiàn)有模型，并有助于進(jìn)一步闡明用于解決靈長類動(dòng)物大腦識(shí)別對象的計(jì)算代碼。

由麥戈文腦科學(xué)研究所和腦與認(rèn)知科學(xué)系博士后Kohitij Kar領(lǐng)導(dǎo)，這項(xiàng)研究著眼于稱為前外側(cè)前額葉皮層(vlPFC)的區(qū)域，該區(qū)域通過下丘腦向顳下葉皮質(zhì)發(fā)送反饋信號。神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。這項(xiàng)研究的主要目的是測試該電路的往返信息處理(即該循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))對于靈長類動(dòng)物快速識(shí)別對象至關(guān)重要。

麻省理工學(xué)院的研究人員使用對象識(shí)別任務(wù)(例如，識(shí)別出圖中顯示的是“鳥”而不是“大象”)來研究從靈長類動(dòng)物腹側(cè)前額葉皮層(vlPFC)到顳下葉(IT)的反饋的作用。皮層通過神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。在靈長類動(dòng)物的大腦中，暫時(shí)阻斷vlPFC(綠色陰影區(qū)域)會(huì)破壞包含vlPFC和IT的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從而導(dǎo)致特定缺陷，并暗示其在快速物體識(shí)別中的作用。圖片來源：Kohitij Kar;大腦圖像改編自SciDraw。

本研究發(fā)表在 Neuron上 ，可通過開放獲取獲得，是Kar和James DiCarlo發(fā)表的先前工作的后續(xù)研究，Kar和James DiCarlo是彼得·德·弗洛雷斯神經(jīng)科學(xué)教授，麻省理工學(xué)院腦與認(rèn)知科學(xué)系系主任以及麥戈文研究所和大腦，思想與機(jī)器中心。

猴子與機(jī)器

Kar，DiCarlo和同事在2019年發(fā)現(xiàn)，靈長類動(dòng)物在快速物體識(shí)別過程中必須使用一些循環(huán)回路。這項(xiàng)研究中的猴子受試者比缺乏循環(huán)電路的工程化“前饋”計(jì)算模型(稱為深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))能夠更準(zhǔn)確地識(shí)別物體。

有趣的是，模型在對象識(shí)別方面比猴子要差的特定圖像，在猴子的大腦中也需要更長的時(shí)間才能解決-這表明額外的時(shí)間可能是由于大腦中的反復(fù)處理。但是，根據(jù)2019年的研究，仍然不清楚是哪個(gè)循環(huán)電路導(dǎo)致IT皮質(zhì)中的信息延遲傳播。這就是當(dāng)前研究的起點(diǎn)。

“在這項(xiàng)新研究中，我們想找出：IT中的這些經(jīng)常性信號來自何處?” 卡爾說。“哪個(gè)區(qū)域與IT相互連接，在功能上是該循環(huán)電路中最關(guān)鍵的部分?”

為了確定這一點(diǎn)，研究人員使用一種藥理劑來暫時(shí)阻止獼猴中的vlPFC的部分活動(dòng)，同時(shí)他們要進(jìn)行對象識(shí)別任務(wù)。在執(zhí)行這些任務(wù)時(shí)，猴子會(huì)觀看包含物體的圖像，例如蘋果，汽車或狗。然后，研究人員使用眼動(dòng)追蹤技術(shù)來確定猴子在給定兩個(gè)對象選擇時(shí)是否可以正確指示它們先前查看過的對象。

“我們觀察到，如果您使用藥理劑使vlPFC部分失活，那么猴子的行為和IT皮層活動(dòng)都會(huì)惡化，但對于某些特定圖像而言更是如此。這些圖像與我們在之前的研究中確定的圖像相同，這些圖像在“前饋”模型中很難解決，并且在猴子的IT皮質(zhì)中需要更長的時(shí)間才能解決。” Kar說。

這些結(jié)果提供了證據(jù)，表明這種循環(huán)連接的網(wǎng)絡(luò)對于快速物體識(shí)別(我們正在研究的行為)至關(guān)重要?，F(xiàn)在，我們對整個(gè)電路的布局以及這種行為的主要神經(jīng)成分是什么有了更好的了解。”

這項(xiàng)名為“靈長類腹側(cè)流需要通過腹外側(cè)前額葉皮層進(jìn)行快速反復(fù)處理以實(shí)現(xiàn)可靠的核心視覺對象識(shí)別”的完整研究將在2021年1月6日出版。

DiCarlo說：“這項(xiàng)研究證明了額葉前額皮層回路在以一種非常特殊的方式自動(dòng)提高物體識(shí)別性能方面的重要性。” “這些結(jié)果是在非人類靈長類動(dòng)物中獲得的，因此很可能也與人類的視覺有關(guān)。”

本研究明確了快速對象識(shí)別過程中vlPFC和靈長類動(dòng)物腹側(cè)視覺皮層之間的反復(fù)連接的整體作用。這些結(jié)果將有助于研究人員設(shè)計(jì)旨在開發(fā)準(zhǔn)確的大腦模型的未來研究，以及有助于尋求開發(fā)更多類似人類的人工智能的研究人員。

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