Stel je voor dat je in de Afrikaanse savanne wandelt. Plots zie je een bewegende struik die een groot, geel voorwerp gedeeltelijk verdoezelt. Van deze beperkte informatie moet je uitzoeken of je in gevaar bent en beslissen hoe je moet reageren. Is het een stapel droog gras? Of een hongerige leeuw?

In dit soort situaties moeten onze hersenen complexe en onzekere visuele informatie gebruiken om beslissingen van een fractie van een seconde te nemen. De gevolgtrekkingen en de daaropvolgende beslissingen die we nemen op basis van wat we zien, kan het verschil zijn tussen adequaat reageren op een dreiging en een volgende maaltijd van een leeuw worden.

Van oudsher hebben neurowetenschappers nagedacht over visuele informatieverwerking als een reeks gebeurtenissen die een voor een plaatsvinden, waarbij het invoersignaal (vanuit de ogen) wordt gefilterd dat over ruimte en tijd verandert. Maar meer recent begonnen we het proces als veel dynamischer en interactiever te beschouwen. Terwijl het visuele systeem de onzekerheid probeert op te lossen in de sensorische informatie die het ontvangt, gebruikt het zowel voorkennis als huidig ​​bewijsmateriaal om goed geïnformeerde gissingen te maken over wat er gaande is.

Visueel systeem: veel meer dan ogen

De ogen zijn natuurlijk cruciaal voor hoe we zien wat er om ons heen gebeurt. Maar het grootste deel van het intensief bestudeerde menselijke visuele systeem ligt in de hersenen.

De netvliezen aan de achterkant van je ogen bevatten fotoreceptoren die licht in de omgeving waarnemen en erop reageren. Deze fotoreceptoren activeren op hun beurt neuronen die informatie overbrengen naar de visuele cortex van de hersenen, gelegen aan de achterkant van je hoofd. De visuele cortex verwerkt vervolgens de onbewerkte gegevens zodat we beslissingen kunnen nemen over hoe te reageren en zich op de juiste manier te gedragen op basis van de oorspronkelijke invoer voor de ogen.

De visuele cortex is georganiseerd in een anatomische en functionele hiërarchie. Elke fase is verschillend van elke andere, zowel in termen van zijn microscopische anatomie en zijn functionele rol en fysiologie - dat wil zeggen, hoe de neuronen reageren op verschillende stimuli.

Traditioneel dachten onderzoekers dat deze hiërarchie de informatie opeenvolgend, stap voor stap, van onder naar boven filterde. Ze geloofden dat elk verwerkingsniveau van het visuele brein een meer verfijnde vorm van het visuele signaal dat het ontving van de lagere niveaus opwaarts passeerde. In een fase van de hiërarchie worden bijvoorbeeld hoog contrast randen uit de scène gehaald om later grenzen voor vormen en objecten te vormen.

Het oorspronkelijke denken was dat uiteindelijk de hoogste niveaus van de visuele cortex in zijn patroon van neuronactiviteit een zinvolle voorstelling van de wereld zouden bevatten waarop we dan zouden kunnen reageren. Maar een aantal meer recente ontwikkelingen in de neurowetenschappen hebben deze visie op zijn kop gezet.

De wereld - en daarmee de visuele omgeving - is van moment tot moment hoogst onzeker. Bovendien weten we het uit vele studies dat de capaciteit van het visuele brein opvallend beperkt is. Het brein is afhankelijk van processen zoals visuele aandacht en visueel geheugen om het efficiënt gebruik te maken van deze beperkte middelen.

Dus hoe precies navigeren de hersenen effectief in een zeer onzekere omgeving met een beperkte hoeveelheid informatie? Het antwoord is, het speelt de kansen en gokspelen.

Een kans maken op de beste inschattingen

Het brein moet beperkte invoer van dubbelzinnige en variabele informatie gebruiken om een ​​goed geïnformeerde schatting te maken van wat er in zijn omgeving gebeurt. Als deze schattingen juist zijn, kunnen ze de basis vormen voor goede beslissingen.

Om dit te doen, gokken de hersenen in wezen op de deelverzameling van informatie die het heeft. Gebaseerd op een klein stukje zintuiglijke informatie, wedt het op wat de wereld het vertelt om de best mogelijke uitbetalingsgedrag te krijgen.

Overweeg het voorbeeld van de bewegende struik in de savanne. Je ziet een wazig, groot geel voorwerp verduisterd door de struik. Heeft dit object de struik laten bewegen? Wat is de gele klodder? Is het een bedreiging?

Deze vragen zijn relevant voor wat we kiezen om te doen in termen van ons gedrag. Het gebruik van de beperkte visuele informatie (bewegende bus, groot geel voorwerp) op een effectieve manier is van belang voor het gedrag. Als we concluderen dat het gele object inderdaad een leeuw of een ander roofdier is, kunnen we besluiten om snel in de tegenovergestelde richting te bewegen.

Inferentie kan worden gedefinieerd als een conclusie op basis van zowel bewijs als redenering. In dit geval is de gevolgtrekking (dat is een leeuw) gebaseerd op zowel bewijs (groot geel voorwerp, bewegende struik) als redenering (leeuwen zijn groot en aanwezig in de savanne). Neurowetenschappers denken aan probabilistische gevolgtrekking als een berekening waarbij de combinatie van voorafgaande informatie en huidig ​​bewijsmateriaal is betrokken.

Tweeweg hersenverbindingen

Neuro-anatomisch en neurofysiologisch bewijs in de afgelopen twee decennia heeft aangetoond dat de hiërarchie in de visuele cortex een groot aantal verbindingen bevat gaande van lager naar hoger en hoger naar lager op elk niveau. In plaats van dat informatie zich een weg baant door een omgekeerde trechter, steeds verfijnder wordt naarmate het hoger en hoger gaat, lijkt het alsof het visuele systeem meer een interactieve hiërarchie is. Het werkt blijkbaar om de onzekerheid die inherent is aan de wereld op te lossen door middel van een constante feedback- en feed-forward-cyclus. Dit staat het toe combinatie van onderkant boven huidig ​​bewijsmateriaal en top-down voorafgaande informatie op alle niveaus van de hiërarchie.

Het anatomische en fysiologische bewijs dat een meer verweven visueel brein aangeeft, wordt mooi aangevuld door gedragsexperimenten. Over een reeks visuele taken - objecten herkennen, zoeken naar een bepaald object tussen irrelevante objecten en onthouden van kort gepresenteerde visuele informatie - menselijke wezens presteren in overeenstemming met de verwachtingen die voortkomen uit de regels van de probabilistische gevolgtrekking. Onze gedragsvoorspellingen gebaseerd op de aanname dat probabilistische gevolgtrekkingen ten grondslag liggen aan deze capaciteiten komen goed overeen met de feitelijke experimentele gegevens.

Informeerde gissingen, minimaliseren van fouten

Neurowetenschappers hebben gesuggereerd dat de hersenen geëvolueerd zijn, door middel van natuurlijke selectie, om de ongelijkheid actief te minimaliseren van moment tot moment tussen wat wordt waargenomen en wat wordt verwacht. Het minimaliseren van deze discrepantie houdt noodzakelijkerwijs het gebruik van probabalistische gevolgtrekking in om aspecten van de binnenkomende informatie te voorspellen op basis van voorkennis van de wereld. Neurowetenschappers hebben dit proces genoemd voorspellende codering.

Veel van de gegevens die de voorspellende codeermethode hebben ondersteund, zijn het bestuderen van het visuele systeem. Nu zijn onderzoekers echter beginnen het idee te generaliseren en pas het toe op andere aspecten van informatieverwerking in de hersenen. Deze aanpak heeft veel potentiële toekomstige richtingen opgeleverd voor de moderne neurowetenschap, inclusief inzicht in de relatie tussen reacties op laag niveau van individuele neuronen en neuronale dynamica op een hoger niveau (zoals de groepsactiviteit opgenomen in een elektro-encefalogram of EEG).

Terwijl het idee dat perceptie een proces is van inferentie is niet nieuwmoderne neurowetenschap heeft het de afgelopen jaren nieuw leven ingeblazen - en het heeft het veld drastisch veranderd. Bovendien belooft de aanpak ons ​​meer inzicht te verschaffen in informatieverwerking, niet alleen voor visuele informatie, maar ook voor alle vormen van sensorische informatie en processen van hoger niveau, zoals besluitvorming, geheugen en bewuste gedachten.

Over de auteur

Alex Burmester, onderzoeksmedewerker in perceptie en geheugen, New York University

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees de originele artikel.

Verwante Boeken

at InnerSelf Market en Amazon