Кіріспе
Тиімді кодтау гипотезасын 1961 жылы Хорас Барлоу мидағы сезім кодтаудың теориялық моделі ретінде ұсынды. Мида нейрондар бір-бірімен байланыс орнату үшін электр импульстерін жібереді. Сенсорлық нейробиологиялық зерттеулердің бір мақсаты - бұл тікенектердің мағынасын түсіну, яғни мидың сыртқы әлем туралы ақпаратты қалай қабылдап, өңдейтінін түсіну. Барлоу сезім жүйесіндегі тікенектер сезімдік ақпаратты тиімді бейнелеу үшін нейрондық кодты қалыптастыратынын болжады. Тиімді дегеніміз - код берілген сигналды беру үшін қажетті тікенектердің санын азайтады. Бұл белгілі бір суретті беру үшін әртүрлі файл форматтарын қолдануға болатын Интернеттегі ақпаратқа ұқсас. Әр түрлі файл форматтары берілген бұрмалау деңгейінде бірдей кескінді бейнелеу үшін әр түрлі бит санын қажет етеді, ал кейбіреулері кескіндердің белгілі бір сыныптарын басқаларға қарағанда жақсырақ бейнелейді. Бұл модель бойынша ми ағзаның табиғи ортасының бейнелік және дыбыстық ақпаратын бейнелеуге арналған кодты қолданады деп есептеледі.
Тиімді кодтау және ақпарат теориясы
Барлоу гипотезасының дамуына он жыл бұрын Клод Шеннон енгізген ақпарат теориясы әсер етті. Ақпараттық теория байланыс жүйелерін талдау үшін математикалық негізді қамтамасыз етеді. Ол ақпарат, арна сыйымдылығы және артықшылық сияқты ұғымдарды ресми түрде айқындайды. Барлоу моделі сенсорлық жолды нейрондық шипалардың сенсорлық сигналдарды бейнелеу үшін тиімді код болып табылатын байланыс арнасы ретінде қарастырады. Пикинг коды өкілдік бірліктер арасындағы артықшылықты азайту арқылы қол жетімді арна сыйымдылығын барынша арттыруға бағытталған. Х. Барлоу бұл идеяны алғаш ұсынған емес: ол 1954 жылы Ф. Атнеевтің мақаласында пайда болды. Тиімді кодтау гипотезасының негізгі болжамы - мидағы сезімдік өңдеу табиғи ынталандыруларға бейімделуі керек. Көрнекі (немесе есту) жүйесіндегі нейрондар табиғатта кездесетін бейнелерді (немесе дыбыстарды) кодтау үшін оңтайландырылуы керек. Зерттеушілер табиғи бейнелерді кодтау үшін оңтайландырылған сүзгілер V1 қарапайым жасушаларының қабылдаушы өрістеріне ұқсас сүзгілерге әкелетінін көрсетті. Есту саласында табиғи дыбыстарды кодтау желісін оңтайландыру ішкі құлақтағы кохлеарлық сүзгілердің импульстік жауаптарына ұқсас сүзгілерге әкеледі.
Көзбен шолу жүйесінің шектеулері
Бейне жүйесіндегі шектеулер, мысалы, нейрондар саны мен "нейрологиялық белсенділікке" қажетті метаболистік энергияға байланысты, визуалды өңдеу жүйесі мүмкіндігінше көп ақпаратты беру үшін тиімді стратегияға ие болуы керек. Ақпарат желкөз қабығынан көру қабыршағына қарай қозғалғанда, оны қысылуы керек. Тортша рецепторлары ақпаратты 10^9 бит/сек жылдамдықпен қабылдай алса, 1 миллион ганглий жасушасынан тұратын көру нервісі 1 бит/сек жылдамдықпен хабар тарата алады, ал оның хабар тарату қабілеті 10^6 бит/сек ғана. Мысалы, визуалды деректерді 20 есеге дейін үзіп, ақпарат жоғалмайтыны дәлелденді. Тиімді кодтау гипотезасын сынау кезінде қолданылатын бір болжам - нейрондар эволюциялық және даму жағынан қоршаған ортадағы табиғи сигналдарға бейімделуі керек.
Табиғи бейнелер мен статистика
Барлоудың гипотезасының негізгі бөлігі - ақпараттық теория, ол нейробиологиялық ғылымға қолданылған кезде, жүйке жүйесінің тиімді кодталуы "олар білдіретін сигналдардың статистикасына сәйкес келуі керек" деп дәлелдейді. Сондықтан, осы сигналдарды шығаратын табиғи суреттердің статистикасын анықтау маңызды. Зерттеушілер табиғи суреттердің әртүрлі компоненттерін, оның ішінде жарық контрасты, түстерді және уақыт өте келе суреттердің қалай тіркелетінін қарады. Зерттеушілер сәулелену контрасттарының суретте кеңістікте қалай таралатынын қарастырады: сәулелену контрасттары өлшенетін қашықтықта неғұрлым жақын болса, соғұрлым жоғары және пиксельдер бір-бірінен алыстаған сайын аз байланысты болады. ICA пикселдерді табиғи кескінде декорреляциялау арқылы артықшылықты жояды. Ол кіріс шуы артықшылықты азайтуды жеткіліксіз қылатын кезде тиімді кодтаудың қалай жүзеге асырылатынын және әр түрлі жағдайларда тиімді кодтаудың бір-бірімен қалай байланысты немесе бір-бірінен қалай ерекшеленетінін түсіндіреді.
Тиімді кодтау гипотезасын тексеру үшін гипотезалар
Егер нейрондар тиімді кодтау гипотезасына сәйкес кодтаса, онда жеке нейрондар толық шығыс қуатын білдіруі керек.
Бұл тәсілдердің мысалдары
1. Жасырын Doi және басқалардың зерттеулеріндегі болжамды модельдік тәсіл. 2012 жылы зерттеушілер шу мен биологиялық шектеулерді ескере отырып, пайдаланылған табиғи бейнелердің статистикасына негізделген торсық ганглийлі жасушаларының болжамды жауап моделін жасады. Содан кейін олар тиімділікті анықтау үшін шынайы торлы жасушаларда байқалған нақты ақпараттың берілуін осы оңтайлы модельмен салыстырды. Олар торлы жұлдыздың ганглиялық жасушаларындағы ақпараттың жалпы тиімділігі шамамен 80% -ды құрайтынын анықтады және "конустар мен торлы жұлдыздың ганглиялық жасушалары арасындағы функционалдық байланыс кодтау тиімділігіне сәйкес келетін бірегей кеңістіктік құрылымды көрсетеді. Олар қарапайым жасушалар уақыт өте келе суреттердің "негізгі құрылымын" таңдауға ұйымдастырылса, онда жасушалар тәуелсіз компоненттік сүзгілер сияқты әрекет етуі керек деп болжады. Baddeley және басқалар жасаған тағы бір зерттеу. Бұл эксперименттерде мысықтың V1 нейрондарының және маймылдың инферотемпоральды (IT) нейрондарының оттегі жылдамдығының экспоненциалды түрде табиғи жағдайда таралуы көрсетілді, бұл белгіленген орташа оттегі жылдамдығы үшін оңтайлы ақпарат беруді білдіреді. Маймыл ИТ нейрондарын зерттеуден кейін, тек аз бөлігі экспоненциалды өртеу таралуымен жақсы сипатталған. Кейін Де Полавьея бұл сәйкессіздіктің экспоненциалдық шешімнің шусыз жағдай үшін ғана дұрыс екендігіне байланысты екенін дәлелдеді және шуды есепке ала отырып, байқалған нәтижелерді түсіндіре алатындығын көрсетті.
In one study by Doi et al. in 2012, the researchers created a predicted response model of the retinal ganglion cells that would be based on the statistics of the natural images used, while considering noise and biological constraints. They then compared the actual information transmission as observed in real retinal ganglion cells to this optimal model to determine the efficiency. They found that the information transmission in the retinal ganglion cells had an overall efficiency of about 80% and concluded that "the functional connectivity between cones and retinal ganglion cells exhibits unique spatial structure consistent with coding efficiency. They hypothesized that if simple cells are organized to pick out the "underlying structure" of images over time then cells should act like the independent component filters. Another study done by Baddeley et al. had shown that firing rate distributions of cat visual area V1 neurons and monkey inferotemporal (IT) neurons were exponential under naturalistic conditions, which implies optimal information transmission for a fixed average rate of firing. A subsequent study of monkey IT neurons found that only a minority were well described by an exponential firing distribution. De Polavieja later argued that this discrepancy was due to the fact that the exponential solution is correct only for the noise free case, and showed that by taking noise into consideration, one could account for the observed results.
Ұзартулар
Тиімді кодтау гипотезасының бір мәні - нейрондық кодтау сезім сигналдарының статистикасына байланысты. Бұл статистика тек қоршаған ортаның ғана емес, сонымен қатар организмнің мінез-құлқының (мысалы, оның осы ортада қалай қозғалатыны) функциясы болып табылады. Алайда, қабылдау және мінез-құлық қабылдау іс-әрекет циклында тығыз байланысты. Мысалы, көру процесінде көздің әртүрлі қозғалыстары болады. Тиімді кодтау гипотезасының белсенді тиімді кодтау (AEC) деп аталатын кеңейтімі тиімді кодтауды белсенді қабылдауға дейін кеңейтеді. Ол биологиялық агенттер тек жүйке кодтауын ғана емес, сонымен қатар олардың мінез-құлқын қоршаған ортаның тиімді сезімдік бейнелеуіне ықпал ету үшін оңтайландырады деп болжайды. Осыған байланысты белсенді бинокулярлық көруді, белсенді визуалды бақылау мен қоныстануды бақылаудың үлгілері ұсынылды. Мида ақпаратты өңдеуге шектеулі ресурстар бар, көруде бұл визуалды назар бөшкесі ретінде көрінеді. Бұл түйіндік түйін миды визуалды ақпараттың кішкене бөлігін ғана таңдап алуға мәжбүр етеді, өйткені ақпаратты тиімді кодтау жеткіліксіз. Кейінгі теория, V1 салиенттілік гипотезасы, негізгі визуалды қабықтағы төменгі салиенттілік картасы арқылы басқарылатын, одан әрі өңдеу үшін визуалды кіріс ақпаратының экзогенді назар аудару таңдауы бойынша әзірленді.
for further processing, as merely coding information efficiently is no longer sufficient. A subsequent theory, V1 Saliency Hypothesis, has been developed on exogenous attentional selection of visual input information for further processing guided by a bottom up saliency map in the primary visual cortex.
Биомедициналық қолдану
Тиімді кодтау гипотезасының мүмкін болатын қосымшаларына кохлеарлық имплантаттың дизайны кіреді. Бұл нейропротездік құрылғылар электр импульстері арқылы есту жүйкесін ынталандырады, бұл есту қабілеті нашар немесе тіпті саңырау адамдарға есту қабілетін қалпына келтіруге мүмкіндік береді. Имплантаттар сәтті және тиімді болып саналады және қазіргі уақытта пайдаланылатын жалғыз имплантаттар болып табылады. Кохлеарлық имплантаттарды қолдану үшін тиімді кодтау алгоритміне жиілік-орталық картасын қолдану пайдалы болуы мүмкін. Осы гипотезаға негізделген жобалаудағы өзгерістер есту қабілеті нашар науқастарда сөйлеуді түсінуді арттыра алады. Әртүрлі сүзгілер арқылы өңделген дауысты кодталған сөйлеуді қолдану бойынша жүргізілген зерттеулер адамдар кохлеотроптық сүзгіге немесе сызықтық сүзгіге қарағанда тиімді кодты сүзгіге қарағанда сөйлеуді бұрмалауда үлкен дәлдігі бар екенін көрсетті. Бұл дыбыс деректерін тиімді кодтаудың қабылдау тиімділігін және тыңдаушыларға көбірек ақпарат беруін көрсетеді. Кохлеарлық имплантаттың құрылымындағы медициналық маңызды өзгерістерге қазіргі зерттеулерді қолдану үшін қосымша зерттеулер қажет.