神经科学家揭示了大脑如何在运动中追踪对象

admin 2018-05-14

捕捉弹跳球或用球拍击球需要估计球何时到达。神经科学家一直认为大脑通过计算运动物体的速度来实现这一点。然而,麻省理工学院的一项新研究表明,大脑的方法更复杂。图片:切尔西特纳/麻省理工学院

捕捉弹跳球或用球拍击球需要估计球何时到达。神经科学家一直认为大脑通过计算运动物体的速度来实现这一点。然而,麻省理工学院的一项新研究表明,大脑的方法更复杂。

新的发现表明,除了跟踪速度之外,大脑还包含有关物体运动的节奏模式的信息:例如,一个球完成一次反弹需要多长时间。在他们的新研究中,研究人员发现,当人们获得关于移动物体速度和节奏模式时间的信息时,他们会做出更准确的估计。

“当人们掌握这两种信息时,他们真的很擅长,”Robert A. Swanson职业生涯发展教授Mehrdad Jazayeri说道,他是麻省理工学院McGovern脑研究所的成员之一。 “这就像有多种感官的输入。当我们使用多种感官时,我们所掌握的有关我们与之交互的世界的统计知识更加丰富。“

Jazayeri是该研究的高级作者,其出现在美国国家科学院院刊 / em这篇论文的第一作者是麻省理工学院研究生张嘉贞。

运动中的对象

我们处理关于在我们周围移动的物体的大部分信息来自对物体的视觉追踪。我们的大脑可以使用有关物体速度和距离的信息来计算物体何时到达某个点。研究大脑如何保持时间的Jazayeri对这样一个事实很感兴趣,我们所看到的大部分运动都有一个节奏元素,比如一个球的弹跳。

“我们想到问,大脑怎么不使用这些信息?如果所有这些丰富的额外时间结构都不是我们评估周围事物发生的方式以及事情将如何发生的一部分,这似乎很奇怪。“Jazayeri说。

还有许多其他感官处理任务,大脑使用多个输入源。例如,为了解释语言,我们可以使用我们听到的声音以及说话者嘴唇的移动,只要我们能看到它们。当我们触摸一个物体时,我们根据我们看到的以及我们用手指感觉到的大小估计它的大小。

在感知物体运动的情况下,剔除有节奏的时间的作用,而不是速度,可能是困难的。 “我可以让别人去做任务,但是我怎么知道他们是使用速度还是他们在使用时间,如果他们两个都可用?”Jazayeri说。

为了克服这个问题,研究人员设计了一个任务,在这个任务中他们可以控制有多少时间信息可用。他们衡量人类志愿者在执行任务时的表现。

在这项任务中,研究参与者观看了一个直线移动的球。在走了一段距离后,球落在障碍物后面,所以参赛者再也看不到了。当他们预计球重新出现时,他们被要求按下按钮。

性能差异很大,取决于球落在障碍物之前有多少球可见。如果参与者看到球在消失前很短的距离,他们表现不佳。随着消失之前的距离变长,他们能够更好地计算出球的速度,所以他们的表现得到了改善,但最终达到了平稳。

在那个高原之后,当消失前的距离增长到与障碍物的宽度完全相同时,性能显着提高。在这种情况下,当消失前的路径等于障碍物后面的路径时,参与者急剧改善,因为他们知道在障碍物后面花费的时间与到达障碍物所用的时间相同。

当到达障碍物的距离变得比障碍物的宽度更长时,性能再次下降。

“拥有这些额外的信息是非常重要的,当我们拥有它时,我们就会使用它,”Jazayeri说。 “时间结构非常重要,当你失去它时,即使以获得更好的视觉信息为代价,人们的表现也会变得更糟。”

整合信息

研究人员还测试了几种大脑如何执行这一任务的计算机模型,并发现唯一可以准确复制实验结果的模型是大脑在两个不同区域测量速度和时间,然后将它们结合起来的模型。

以前的研究表明,大脑在皮层运动前区域进行时间估计,这在计划运动中起作用;通常需要视觉输入的速度是在视觉皮层中计算的。 Jazayeri说,这些输入可能结合在负责空间注意和追踪空间物体的部分大脑中,这些物体发生在顶叶皮层。

在未来的研究中,Jazayeri希望能够测量受过训练的动物的大脑活动,以执行与人类受试者在本研究中所做的相同的任务。这可以进一步阐明这一过程的发生地点,并且还可以揭示大脑发生的错误估计。

该研究由麦戈文脑研究所资助。

出版物:Chia-Jung Chang和Mehrdad Jazayeri,“整合估计接触时间的速度和时间”,PNAS,2018年; DOI:/10.1073/pnas.1713316115

资料来源:MIT新闻办公室Anne Trafton


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