شبیه‌سازی سیستم بینایی با شبکه‌های عصبی

باز کردن فوری چشم‌ها می‌تواند به داشتن درک بصری در مورد جهان کمک کند. شاید این فرآیند در نگاه نخست ساده به نظر برسد اما در حقیقت، با پیچیدگی‌هایی همراه است. وظیفه بنیادین مغز در دیدن، بازسازی اطلاعات مربوط به جهان اطراف با کمک نور و سپس بازگرداندن آنها به چشم است. از آنجا که این فرآیند با پیچیدگی‌هایی همراه است، نورون‌های مغز نیز با روش‌های پیچیده‌ای نسبت به تصاویر واکنش نشان می‌دهند.روش‌های آزمایشی برای مشخص کردن واکنش نورون‌ها نسبت به تصاویر، تاحدودی چالش‌برانگیز هستند زیرا تعداد این تصاویر، نامحدود است. در گذشته این باور وجود داشت که محرک‌هایی در مغز، به داشتن بینش اصلی کمک می‌کنند.

پژوهشگران "کالج پزشکی بیلور"(BCM) آمریکا و "دانشگاه توبینگن"(University of Tübingen) آلمان، یک روش محاسباتی جدید ابداع کرده‌اند که می‌تواند به یافتن این محرک‌ها سرعت بدهد. آنها انواعی از شبکه‌های مصنوعی عصبی ساخته‌اند که می‌توانند واکنش نورون‌های مغز را نسب به محرک بصری، با دقت پیش‌بینی کنند. این شبکه‌های عصبی قادر هستند مانند یک آواتار مجازی عمل کنند که برای تقسیم مکانیسم‌های عصبی به کار می‌روند. آنها عملکرد این شبکه‌ها را با ایجاد تصاویر جدیدی نشان دادند که واکنش نورون‌های خاص را به دقت مشخص می‌کردند.دکتر "آندریاس تولیاس"(Andreas Tolias)، استاد علوم اعصاب کالج پزشکی بیلور و از نویسندگان این پژوهش گفت: هدف ما این بود تا نحوه عملکرد سیستم بینایی را درک کنیم.

ما این پژوهش را با ابداع یک شبکه هوش مصنوعی انجام دادیم که فعالیت نورونی را هنگام نگاه کردن یک حیوان به تصاویر پیش‌بینی می‌کرد. در صورتی که بتوانیم چنین آواتاری را از سیستم بینایی بسازیم، امکان انجام دادن آزمایش‌های نامحدود روی آن فراهم خواهد شد. سپس می‌توانیم آواتار را روی مغز واقعی انسان‌ها آزمایش کنیم.پژوهشگران برای دادن قابلیت درک واکنش نورون‌ها به شبکه، ابتدا میزان قابل توجهی از فعالیت مغز را ثبت کردند. دکتر "ادگار واکر"(Edgar Walker)، پژوهشگر دانشگاه توبینگن گفت: ما ابتدا حدود ۵۰۰۰ تصویر طبیعی را به موش‌ها نشان دادیم و فعالیت نورون‌های مغز آنها را هنگام نگاه کردن به تصاویر ثبت کردیم. سپس، تصاویر و فعالیت‌های مغزی مرتبط با آنها را برای آموزش یک شبکه عصبی مصنوعی به کار بردیم تا واکنش طبیعی نورون‌های واقعی را نسبت به محرک بصری شبیه‌سازی کنیم.

دکتر "فابیان سینز" (Fabian Sinz)، استادیار علوم اعصاب کالج پزشکی بیلور و از نویسندگان این پژوهش گفت: ما برای آزمایش عملکرد این شبکه در یادگیری و پیش‌بینی واکنش‌های نورونی نسبت به تصاویر، تصاویری را به شبکه نشان دادیم که طی فرآیند یادگیری از آنها استفاده نشده بود. شبکه در این آزمایش توانست واکنش‌های عصبی بیولوژیکی را با دقت بالا پیش‌بینی کنداین پژوهش، در مجله "Nature Neuroscience" به چاپ رسید.