Wykad 9 Neuropsychologia komputerowa Percepcja I: Wzrok

Wodzisaw DuchUMK ToruGoogle: W Duch

MotywacjePercepcja jest stosunkowo najatwiejsza do zrozumienia chocia na wiele szczegowych pyta nie ma jasnych odpowiedzi.

Pytania oglne:

W jaki sposb rozpoznajemy obiekty w rnych miejscach, orientacji, odlegoci, przy rnych rzutach obrazu na siatkwk? Dlaczego pierwotna kora wzrokowa reaguje na zorientowane krawdzie?

Dlaczego ukad wzrokowy rozdziela informacje na szlak grzbietowy zwizany z dziaaniem i okrelaniem miejsca, i szlak brzuszny, zwizany z rozpoznawaniem obiektw?

Dlaczego uszkodzenia kory ciemieniowej prowadz do zaburze orientacji przestrzennej i uwagi (zaniedbanie stronne)?

System wzrokowyOrganizacja hierarchiczna zaczyna si w siatkwce, przechodzi przez ciao kolankowate boczne (cz wzgrza), docierajc do pierwotnej kory wzrokowej V1, skd rozsyana jest dalej. Wzrok u zwierzt rnego gatunku realizowany jest na wiele sposobw: limak ma komrki wiatoczue bez soczewek, owady zoone oko i 10-30.000 heksagonalnych fasetek, ssaki maj oko z siatkwk i soczewk, czowiek ok 120M receptorw.

Szlaki wzrokoweSzlaki wzrokowe: siatkwka => ciao kolankowate boczne wzgrza (LGN) => promienisto wzrokowa => obszar pierwotnej kory V1 => wysze pitra ukadu wzrokowego => obszary kojarzeniowe i wielomodalne.

Kora obszaru V1, zwana jest rwnie kor prkowan (biae paski na szarym tle, aksony promienistoci wzrokowej koczce si w warstwie 4). Komrki V1 zorganizowane s w kolumny dominancji dwuocznej i kolumny orientacyjne, retinotopicznie. Proste komrki warstwy 4 reaguj na paski o okrelonym nachyleniu, kontrastowe krawdzie, pobudzenia z jednego oka. Znaczna cz rodkowego obszaru V1 reaguje na sygnay z okolic plamki tej (doka rodkowego) oka, gdzie gsto receptorw jest najwiksza.

Co/gdzieCo widzimy" = szlak drobnokomrkowy zmierzajcy do obszarw IT, "gdzie to jest" = szlak wielkokomrkowy, zmierzajcy do pata ciemieniowego.Milner i Goodale (1995): szlaki wzrokowe nie tyle okrelaj co i gdzie, co umoliwiaj dziaanie i percepcj. Jest jeszcze stary szlak limbiczny, umoliwiajcy szybkie dziaanie w niebezpiecznych sytuacjach (po ktrym nastpuje fala strachu).

Dwa strumienieUngerleider i Mishkin (1982): istniej dwa w znacznej mierze rozdzielone szlaki przetwarzania informacji wzrokowej, biegncej ju od oka. Wielkoziarniste komrki PA siatkwki, 3 typy stokw fotorecepcyjnych, due pola recepcyjne, szybko przewodzce aksony, pobudzenie dla wiata w szerokim pamie. Drobnoziarniste komrki PB, 1 lub 2 typy stokw fotorecepcyjnych, mae pola recepcyjne, wolno przewodzce aksony, rozpoznaj opozycje barw. Szlak wielkokomrkowy: biegnie do dwch wielkokomrkowych warstw LGN, charakteryzuje go niska rozdzielczo przestrzenna, wysoka wraliwo na kontrast, szybkie przesyanie sygnaw, bez informacji o kolorze. Szlak drobnokomrkowy ma 4 drobnoziarniste warstwy w LGN, dua rozdzielczo przestrzenna, kolor, wolniejszy przesy informacji, niska wraliwo na kontrast.

SiatkwkaSiatkwka nie jest pasywn matryc rejestrujc obrazy.Kluczowa zasada: wzmacnianie kontrastw podkrelajcych zmiany w przestrzeni i czasie, wzmacnianie krawdzi, jednolicie owietlone obszary s mniej istotne. Fotoreceptory w czopkach i prcikach, 3-warstwowa sie, komrki zwojowe =>LGN.Pole recepcyjne: obszar, ktry pobudza dan komrk. Kombinacja sygnaw w siatkwce daje pola recepcyjne typu centrum-otoczka (on-center) i odwrotnie, wykrywa krawdzie. Kade z pl indywidualnych komrek mona modelowa Gaussem, wic takie pola otrzymuje si jako rnic (DOG).

Ciao kolankowate boczneKompresja sygnau czciowo ju w siatkwce. Informacje rnego typu trafiaj do rnych warstw LGN. Stacja porednia wszystkie sygnay zmysowe (oprcz wchowych) przechodz przez rne jdra wzgrza. Dynamiczne przetwarzanie informacji: sterowanie uwag i szybki wielkokomrkowy szlak reagujcy na ruch. Wsteczne projekcje V1=>LGN s o rzd wielkoci bardziej liczne ni projekcje LGN=>V1. Konkurencyjna dynamika wybiera sygnay z pola wzrokowego, zwaszcza dotyczce ruchu. Steruje ruchem gaki ocznej przez poczenia z wzgrkami czworaczymi grnymi (sup. colliculus).

Detektory krawdzi Sygnay punktowo-kontrastowe z LGN kora V1 organizuje w zorientowane pod okrelonym ktem detektory krawdzi.Proste komrki V1 cz si w detektory krawdzi, pozwalajc okreli ksztaty, inne komrki reaguj na kolor i rodzaj powierzchni (tekstur).Wasnoci detektorw krawdzi: rna orientacja; wysoka czsto = szybkie zmiany, drobne paski; niska czsto = agodne zmiany, szerokie paski;polarno = ciemne-jasne lub vv, ciemne-jasne-ciemne lub vv.

Topografia korySpecyficzna budowa, uwarunkowana czciowo genetycznie, czciowo rozwija si dziki stymulacji, organizacja retinotopiczna jak w LGN. Rne typy detektorw krawdzi i rodzaju tekstury upakowane s topograficznie w korze V1 w hiperkolumny, obejmujce rozdzielone sygnay z lewego i prawego oka (widzenie 3D, nie u wszystkich ssakw). Obszar plamek: sygnay koloru + czciowo ksztatu, niskie czstoci => V4.

Obszar midzy plamkami: detektory krawdzi, co 10o, wysokie czstoci.

Hiperkolumna ~1mm2, poowa V1 dla doka rodkowego!

Reprezentacja w korze V1Zorientowane detektory krawdzi mog si utworzy przez korelacyjne uczenie si za pomoc mechanizmw Hebbowskich w oparciu o naturalne sceny. Co dzieje si z informacj o kolorze, teksturach, ruchu?

Szlak grzbietowySzlak wielkokomrkowy: przez pat potyliczny szlakiem grzbietowym do kory ciemieniowej. Dochodzi do warstwy 4B w V1, std do grubych ciemnych paskw obszaru V2, analizuje informacj o ruchu obiektu. W V1, warstwa 4B => V5, lokalizacja w polu widzenia, ruch. V5 pobudza pat ciemie-niowy, PPC (tylna kora ciemieniowa), obszar 7 i 5; umoliwia to orientacj przestrzenn, postrzega-nie gbi i ruchu, pocze-nie z wzgrkami czwora-czymi (orientacja oczu).

Szlak brzusznySzlak drobnokomrkowy: szlak brzuszny, do kory dolnoskroniowej. V1 => V2 obszar midzyplamkowy, reaguje na orientacj linii, daje du ostro widzenia, bez koloru. V1 => V3 obszar plamkowy, reaguje na ksztaty, reakcja na kolor w neuronach w ciemnych prkach V3. V2 => V4, gwny obszar analizy koloru, informacja dochodzi do kory dolnoskroniowej (IT). Obszar IT w pacie dolnoskroniowym ma neurony reagujce na zoone obiekty. Demo: laboratorium Keiji Tanaka, RIKEN.

Model v1rf.proj.gz, R. 8W jaki sposb tworz si pola recepcyjne? Skd takie wasnoci V1?Opis projektu w rozdz. 8.3.2. Naturalne ksztaty i tekstury prowadz do specyficznych pl recepcyjnych: std reakcje na krawdzie.Wejcia: 12x12, sygnay z komrek LGN on (pos) i off (neg) center. Wzorce wejciowe: przypadkowo wybrane fragmenty 24x24 z 4 naturalnych obrazw 600x800. Warstwa ukryta 14x14; poczenia: przypadkowe z wejciem a pobudzajce wewntrz warstwy.

Wasnoci modeluKora V1 otrzymuje z LGN sygna on/off o wzmocnionym kontracie, wejcie do V1 przez warstw 4, przetwarzanie w tym modelu odpowiada procesom zachodzcym gwnie w warstwach 2 i 3. Model obejmuje jedn hiperkolumn, analizujc may wycinek obrazu ze zdj krajobrazw i rolin => wszystkie elementy widz to samo. Wasnoci: geometria sferyczna, tzn. gra = d, lewa = prawa;wejcia niezalene dla komrek on/off, zgodnie z biologi;

silne i rozlege pobudzajce poczenia horyzontalne jak w SOM; kWTA zostawia ~10% aktywnych neuronw.

Kontrast dla wag jest may ~1, bo to nie s neurony decyzyjne, progi s due (~2) by wymusi rzadkie reprezentacje, silne korelacje.

Szum pomaga w unikaniu sabych rozwiza.

wiczenia z v1rfSprawdzi struktur, wagi pocze (r.wt): silne pobudzenia wewntrz warstwy ukrytej, zawijanie pobudze na brzegach, przypadkowe poczenia z wejciami on/off. LoadEnv by zaadowa obrazek 512x512 - do treningu uyto 10 obrazw, tu jest jeden przykadowy, przetworzony na kropki on/off. StepTrain obserwacja oscylacji uczenia dla fazy i + Komplementarno on/off: silniejsza aktywacja on dla obrazw janiejszych w rodku ni na brzegach, ciemne = dodatnia aktywacja off.

Pytanie: czego si mona spodziewa jeli horyzontalne poczenia bd dominowa? Sprawd swoje przypuszczenia zmieniajc chwilowo lat_wt_scale 0.04 => 0.2.

LoadNet by zaadowa wytrenowan sie, po 100.000 prezentacji obrazw i paru dniach oblicze ...

Pola recepcyjneW jaki sposb tworz si pola recepcyjne? Skd takie wasnoci V1?View, PROBE_ENV pokazuje 4 rne prbne bodce, StepProbe pokae aktywacj jednostek ukrytych. Sprawdzi aktywacje r.wt, zmieni skal koloru by lepiej widzie orientacj pl,sprawdzi kilka elementw ukrytych, bi- i tri-polarne pola obu rodzajw.

Zaadowa wszystkie: View, RFIELDSaktywno on=czerwone, off=niebieskie. Orientacja, pooenie, rozmiar, polarno to 4 rne cechy pl recepcyjnych.

Wida promieniste zmiany orientacji (pinwheel), punkty osobliwe.

(c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved*(c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved*(c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved*(c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved*(c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved*(c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved*(c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved*(c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved*(c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved*(c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved*(c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved*(c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved*(c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved*(c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved*(c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved*(c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved*(c) 1999. Tralvex Yeap. All Rights Reserved*