Введение

Визуальная обработка – это термин, используемый для обозначения способности мозга использовать и интерпретировать зрительную информацию из окружающего мира. Процесс преобразования световой энергии в осмысленный образ – сложный процесс, который обеспечивается многочисленными структурами мозга и когнитивными процессами высшего порядка. На анатомическом уровне световая энергия сначала попадает в глаз через роговицу, где происходит преломление света. После прохождения через роговицу свет проходит через зрачок, а затем через хрусталик глаза, где он преломляется в большей степени и фокусируется на сетчатке. В сетчатке расположены группы светочувствительных клеток, называемых фоторецепторами. Существует два типа фоторецепторов: палочки и колбочки. Палочки чувствительны к слабому свету, а колбочки лучше способны преобразовывать яркий свет. Фоторецепторы соединяются с биполярными клетками, которые индуцируют потенциалы действия в ганглиозных клетках сетчатки. Эти ганглиозные клетки сетчатки формируют пучок в зрительном диске, являющемся частью зрительного нерва. Два зрительных нерва от каждого глаза встречаются в зрительном перекресте (хиазме), где нервные волокна от каждой носовой части сетчатки перекрещиваются, в результате чего правая половина зрительного поля каждого глаза представлена в левом полушарии, а левая половина зрительного поля каждого глаза – в правом полушарии. Затем зрительный тракт разделяется на два зрительных пути: геникулостриатный и тектопульвинарный, которые передают зрительную информацию в зрительную кору затылочной доли для обработки высшего порядка (Whishaw и Kolb, 2015).

Представления сверху вниз и снизу вверх

Зрительная система организована иерархически, с анатомическими областями, обладающими специализированными функциями в обработке зрительной информации. Зрительная обработка низкого уровня связана с определением различных типов контраста в изображениях, проецируемых на сетчатку, в то время как зрительная обработка высокого уровня относится к когнитивным процессам, которые интегрируют информацию из различных источников в зрительную информацию, представленную в сознании. Обработка объектов, включая такие задачи, как распознавание и локализация объектов, является примером обработки зрительной информации высокого уровня. Зрительная обработка высокого уровня зависит как от процессов "сверху вниз", так и "снизу вверх". Обработка "снизу вверх" относится к способности зрительной системы использовать поступающую зрительную информацию, движущуюся в однонаправленном потоке от сетчатки к высшим областям коры. Обработка "сверху вниз" относится к использованию предварительных знаний и контекста для обработки зрительной информации и изменения информации, передаваемой нейронами, что влияет на их настройку на стимул. На все области зрительного пути, за исключением сетчатки, может влиять обработка "сверху вниз". Существует традиционное представление о том, что зрительная обработка следует по принципу прямой передачи, когда свет передается из сетчатки в высшие области коры в одном направлении, однако, все больше данных свидетельствует о том, что зрительные пути функционируют в двух направлениях, с механизмами прямой и обратной связи, передающими информацию между нижними и высшими областями коры. Различные исследования продемонстрировали, что зрительная обработка опирается как на механизмы прямой, так и на обратной связи (Jensen et al., 2015; Layher et al., 2014; Lee, 2002). В ряде исследований, проведенных с использованием записей с ранних зрительных нейронов у обезьян-макак, было показано, что эти нейроны чувствительны как к характеристикам внутри их рецептивных полей, так и к глобальному контексту сцены. В двух других исследованиях на обезьянах использовалась электрофизиология для выявления различных частот, связанных с прямой и обратной связью в зрительной системе обезьян (Orban, 2008; Schenden & Ganis, 2005). Исследования на обезьянах также показали, что нейроны в зрительных областях высокого уровня избирательно реагируют на определенные стимулы. Одно исследование с использованием регистрации с отдельных нейронов у обезьян-макак показало, что нейроны в средней височной зрительной области, также известной как область MT или V5, обладают высокой селективностью как к направлению, так и к скорости движения (Maunsell & Van Essen, 1983).

Расстройства визуальной обработки высшего уровня

Существуют различные расстройства, известные как причины дефицитов в высших уровнях зрительной обработки, включая агнозию зрительных объектов, просопагнозию, топографагнозию, алексию, акроматопсию, акинетопсию, синдром Балинта и астереопсию. Эти дефициты обусловлены повреждением структур мозга, участвующих в вентральном или дорсальном зрительном пути (Barton 2011).

Обработка лица и места стимулов

Предыдущие модели визуальной обработки различали определенные области мозга по специфическим стимулам, на которые они наиболее чувствительны; например, было показано, что парагиппокампальная область места (PPA) демонстрирует повышенную активацию при предъявлении изображений зданий и пространственных сцен (Epstein & Kanwisher, 1998), в то время как веретеновидная область лица (FFA) наиболее сильно реагирует на лица и стимулы, похожие на лица (Kanwisher et al., 1997).

Парахиппокампальная площадь (ППП)

Парагиппокампальная область (PPA) расположена в задней части парагиппокампальной извилины, которая, в свою очередь, находится в медиальной височной доле в непосредственной близости от гиппокампа. Свое название она получила благодаря усилению нейронной активности в PPA при рассматривании мест, таких как здания, дома и другие сооружения, а также при просмотре окружающих сцен, как в помещении, так и на улице (Epstein & Kanwisher, 1998). Это не означает, что PPA не проявляет активацию при предъявлении других зрительных стимулов – при предъявлении знакомых объектов, которые не являются ни зданиями, ни лицами, например, стульев, также наблюдается некоторая активация в PPA (Ishai et al., 2000). Однако, похоже, что PPA связана с визуальной обработкой зданий и мест, поскольку пациенты с повреждениями парагиппокампальной области демонстрируют топографическую дезориентацию, то есть неспособность ориентироваться в знакомой и незнакомой обстановке (Habib & Sirigu, 1987). Помимо зрительной обработки, парагиппокампальная извилина участвует как в пространственной памяти, так и в пространственной навигации (Squire & Zola Morgan, 1991).

Площадь соединительной формы (FFA)

Область лица веретенообразной формы расположена в нижней височной коре в веретенообразной извилине. Подобно PPA, FFA демонстрирует более высокую нейронную активацию при визуальной обработке лиц, чем мест или зданий (Kanwisher et al., 1997). Однако веретенообразная область также проявляет активацию в ответ на другие стимулы и может быть обучена специализироваться на визуальной обработке объектов, в которых человек обладает опытом. Предыдущие исследования изучали активацию FFA у людей со специализированной визуальной подготовкой, таких как орнитологи или автоэксперты, которые развили навыки визуальной идентификации признаков птиц и автомобилей соответственно. Было показано, что эти эксперты развили активацию FFA, специфичную для их визуального опыта. Другие эксперименты изучали возможность развития опыта в FFA с использованием «гриблов» – визуального стимула, созданного из небольшого числа компонентов, которые можно комбинировать для создания различных конфигураций, подобно тому, как множество слегка отличающихся черт лица могут быть использованы для создания уникального лица. Участники тренировались различать гриблы по различным признакам, а активация в FFA измерялась периодически в процессе обучения. Результаты после тренировки показали, что активация гриблов в FFA увеличивалась со временем, в то время как реакция FFA на лица фактически уменьшалась по мере увеличения опыта работы с гриблами. Эти результаты позволили сделать три основных вывода относительно роли FFA в визуальной обработке: во-первых, FFA не обрабатывает исключительно лица; во-вторых, FFA демонстрирует активацию при выполнении «экспертных» визуальных задач и может быть обучена со временем адаптироваться к новым визуальным стимулам; в-третьих, FFA не поддерживает постоянный уровень активации для всех стимулов, а, скорее, «разделяет» активацию таким образом, что наиболее часто просматриваемые стимулы получают наибольшую активацию в FFA, как было показано в исследовании с использованием гриблов (Gauthier et al., 2000).

Развитие FFA и PPA в мозге

Некоторые исследования предполагают, что развитие FFA и PPA обусловлено специализацией определенных зрительных задач и их взаимосвязью с другими паттернами зрительной обработки в мозге. В частности, существующие исследования показывают, что активация FFA приходится на область мозга, отвечающую за центральное зрение, в то время как активация PPA локализуется в областях мозга, обрабатывающих периферическое зрение и зрение, находящееся за пределами центрального поля зрения (Levy et al., 2001). Это позволяет предположить, что FFA и PPA могли приобрести определенную специализацию благодаря общим зрительным задачам, выполняемым в этих полях зрения. Поскольку лица обычно обрабатываются в центральном поле зрения, области мозга, отвечающие за центральное зрение, со временем также специализируются на более детальных задачах, таких как распознавание лиц. Аналогичный принцип применим и к восприятию пространств: поскольку здания и места часто воспринимаются целиком либо непосредственно за пределами центрального поля зрения, либо на периферии, любая зрительная специализация, связанная с зданиями или местами, будет обрабатываться в областях мозга, отвечающих за периферическое зрение. Таким образом, часто встречающиеся формы, такие как дома и здания, становятся специализированными в определенных областях мозга, то есть в PPA.