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哈佛大学“运动视觉”的研究疑点
Harvard University's study of "motor vision" raises questions
------人眼新问(18)神经元回路能搞清“运动视觉”吗?
都世民(Du Shimin)
问题的提出
2020/8/18 ,中国科学报和科学网刊文:“科学家揭秘运动视觉机制”。
(http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/8/444281.shtm)
研究目的:弄清运动和视觉之间的关系。
研究单位:美国哈佛大学。
研究方法概述:观察了动物自由漫游时,大脑中分析图像的一个主要区域发生了什么?
研究结果:当动物运动时,初级视觉皮层的图像处理回路不仅更活跃,而且它们会从大脑的运动控制区域接收信号,这个区域与处理动物正在看的东西的区域是独立的。
研究结果发表在《神经元》上。
2020-08-14 ,科技日报发表文章:大脑如何判断危险信号?防御反应存在“简单策略”。这篇报道是中国研究人员研究结果,与上一篇报道有关联,这篇报道强调的是大脑一个区域,获取危险信号,作出反应,也就是动物的移动方向。而上一篇报道是眼球运动,来判断运动方向,这两个结果完全不同。研究者认为,视觉系统在判断危险信号时可能会忽略掉一些细节,只基于某些关键视觉线索进行判断。研究团队开发了基于红外触摸屏的小动物行为自动监测系统。通过给小鼠设定视觉刺激,记录小鼠在遇到视觉刺激时的反应参数。两篇报道的研究方法完全不同,结论也不同。这篇报道的研究成果发表于《BMC Biology》期刊上。
笔者这对这两项研究有诸多疑问,美国哈弗大学研究的创新点不明显,中国的研究人员的创新点比较明确,但对存在的问题并没有更深入的研究,为此提出如下疑问。
对研究结果提出的疑问
1)研究者认为,动物运动是如何用大脑来“观察”的,复杂神经元回路发挥的作用,在很大程度上仍是未知的。这种说法不确切,动物运动时观察周围的事物,用单纯的所谓映射神经元回路能说得清吗?首先映射的神经元回路,与人眼的细胞回路之间的关系,没有很好证明,至今人的眼睛是如何成像,这之间的细胞连接仍然不清楚,人与动物之间有什么差异?这也不清楚。在这种情况下,通过大脑来研究,就有些瞎子摸象的研究思路。是通过动物实验来说明人,还是直接对人的眼睛进行研究,应该加以区别。
2)研究者认为,灵长类动物和人类使用复杂的眼球运动来集中视觉。笔者认为这种说法存在问题,眼球运动怎么能够在把视觉关注点集中,不同学科对视觉的关注点有不同解释,心理学家、脑科学、佛学对这个问题的解释是不同的,因为视觉成像,是在视网膜上,还是在大脑中枢神经系统?或者说是在人的“心”,这些概念是不同的,如果成像说不清楚,关注点更说不清。而眼球运动是由谁控制?他与视觉是不是一个通道?生物学认为是眼外肌控制眼球,眼外肌是靠什么控制?它的微观机制是怎么形成的?不同动物眼睛的构造也不同,用头部的移动和眼球的移动的区分,想说明关注点,根据不充分。对这个问题应该进行更深入的研究。
3)研究者认为,视觉实验的典型设置是将动物(比如老鼠或猴子)注射镇静剂,并将其头部固定在一个位置,然后给予视觉刺激,比如照片,这样研究人员可以看到它们大脑中的哪些神经元会做出反应。
这篇报道的改进点,研究者把每只大鼠通过植入电极后,放在一个笼子里,并持续记录它们的头部运动。以这种方法测量了大鼠运动时初级视觉皮层的大脑活动。笔者认为这些方法的改进,没有本质的区别。
问题在于研究人员为什么使用机器学习算法对两种模式进行了编码?这样做带来的问题是什么?有专家对这个方法提出疑问。
4)人眼电测为何引入电极?笔者在科学网曾经发表一篇博文,讨论这个问题。
(http://blog.sina.com.cn/s/blog_5e7be7c50102zjfe.html)
无论这个电极植入在什么部位,是在大脑皮层还是在视网膜上?这个电极与细胞之间是怎么连接的?是有线的还是无线的?如何证明?如果这个电极是在视网膜上,它必然受到光线的电磁波辐射的影响,也就是说电极会接收到这个信号。如果电极在大脑皮层,同样会受到周围环境的电磁波影响,这是不可避免的,怎样才能把这些信号除掉?为了证明这一点,从过去的实验中,可以看出。从谢平的著作中可以查出。(探索大脑的终极秘密:学习、记忆、梦和意识,科学出版社,2018. 1 )。
5)有关视觉通道有几条?(https://new.qq.com/omn/20200501/20200501A05MX200.html)
视觉的反馈通道解决没有?这两个问题很关键,如果这个问题不解决,这篇报道的试验研究是存在问题的,动物和人视觉的关注点,是有反馈通道的情况下才能形成,而人还有意识的问题存在,这个问题更难搞清,也就是说单靠映射的神经网络是说不明白的。关于这方面的研究不在于动物固定头部还是不固定头部的差异。本质问题不在于此。
6)研究者认为,研究结果的数据显示,平均而言,即使在黑暗中,在运动时,大鼠视觉皮质的神经元也比休息时更活跃,因为在一个漆黑的房间里,并没有需要处理的视觉数据。这意味着这种活动来自于运动皮层,而不是外部图像。笔者认为对这个问题的看法,根据不充分,动物有在夜间工作,也有在黑暗中工作,老鼠和鱼就不同,老鼠和人也不一样,人的感光细胞在昏暗或明亮的时候是不一样的,有交换机制。实际上这些问题比较复杂,单纯靠神经元的激活数量,来探讨活跃的程度,并不能够说明问题。
7)研究者还认为,运动时视觉皮层的神经模式在黑暗和光明中是不同的。研究人员使用机器学习算法对两种模式进行了编码。通过观察大鼠视觉皮层的神经活动,不仅能判断出其头部的移动方向,还能在它们做出动作前几百毫秒预测出移动方向。笔者认为人的视觉皮层、感光细胞,在昏暗和光明的两种情况下是不同的,这早已探明。那么在运动时是不是改变了这种情况呢?难道这个结论是研究者自己确定的吗?能够说明不运动或运动时,这两种情况会改变吗?人的头部移动与人的眼球的移动都是同一通道控制吗?怎么证明?
8)笔者从先天性盲人复明的案例中,发现单靠神经元回路的激活程度,根本搞不清楚这之间的关系,也就是说先天性盲人复明为什么不能够区分物体的形状?是立方体还是球体?而后天性盲人复明却不是这样,这两种情况都不同,用神经元回路的激活程度,来判断是不够的,是说不清楚的。
8)关于视觉线索这个概念不明确,对大脑的警戒区域也没有写明划定方法,在动物的实验中,是否植入电极也不清楚。研究者认为,实验数据给出小鼠大小、位置以及对应的时间,根据这些数据可以计算小鼠逃跑的速度、僵直的时间、站立的次数等等,数据的采集和后续的计算和统计都可由程序完成,可以说我们的系统基本实现了小鼠行为数据采集和分析的自动化。但没有说明小鼠的逃跑方向。研究者给出,小鼠对圆盘阴影的大小变化和扩大速度的检测存在一个“警戒范围”,即“警戒范围”大小处于10°至40°,扩大速度在57°/s至320°/s。研究者认为,小鼠基于视觉线索是否处于警戒范围来做出反应,而不是为不同的天敌“定制”特定的检测机制。笔者认为这项研究,把视觉信息和反馈,笼统称为“视觉线索”,这之间到底是什么关系?仍然不清楚。
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