Введение

Гипотеза эффективного кодирования была предложена Горасом Барлоу в 1961 году как теоретическая модель сенсорного кодирования в мозге. Внутри мозга нейроны общаются друг с другом, посылая электрические импульсы, называемые потенциалами действия или шипами. Одна из целей сенсорной нейробиологии - расшифровать значение этих шипов, чтобы понять, как мозг представляет и обрабатывает информацию о внешнем мире. Барлоу предположил, что шипы в сенсорной системе формируют нейронный код для эффективного представления сенсорной информации. Под эффективным понимается то, что код минимизировал количество шипов, необходимых для передачи данного сигнала. Это несколько аналогично передаче информации через Интернет, где для передачи данного изображения могут использоваться различные форматы файлов. Разные форматы файлов требуют разного количества битов для представления одного и того же изображения при заданном уровне искажения, и некоторые из них лучше подходят для представления определенных классов изображений, чем другие. Согласно этой модели, мозг, как полагают, использует код, который подходит для представления визуальной и аудиоинформации, представляющей естественную среду организма.

Эффективное кодирование и теория информации

На развитие гипотезы Барлоу оказало влияние теория информации, введенная Клодом Шенноном всего за десять лет до этого. Теория информации обеспечивает математическую основу для анализа систем связи. В нем формально определены такие понятия, как информация, пропускная способность канала и избыточность. Модель Барлоу рассматривает сенсорный путь как канал связи, где нейронный пик является эффективным кодом для представления сенсорных сигналов. Код пикинга направлен на максимизацию доступной емкости канала путем минимизации избыточности между репрезентативными единицами. Идея была впервые предложена не Х. Барлоу, а Ф. Атневом в статье 1954 года. Ключевое предсказание гипотезы эффективного кодирования заключается в том, что сенсорная обработка в мозге должна быть адаптирована к естественным стимулам. Нейроны в зрительной (или слуховой) системе должны быть оптимизированы для кодирования изображений (или звуков), представляющих те, что встречаются в природе. Исследователи показали, что фильтры, оптимизированные для кодирования естественных изображений, приводят к фильтрам, которые напоминают рецептивные поля простых клеток в V1. В слуховой области оптимизация сети для кодирования естественных звуков приводит к фильтрам, которые напоминают импульсный ответ кохлеарных фильтров, обнаруженных во внутреннем ухе.

Ограничения зрительного аппарата

Из-за ограничений на визуальную систему, таких как количество нейронов и метаболическая энергия, необходимая для "нейронной активности", система обработки визуальных данных должна иметь эффективную стратегию передачи как можно большей информации. Информация должна быть сжата, когда она перемещается из сетчатки обратно в зрительную кору. В то время как рецепторы сетчатки могут принимать информацию со скоростью 10^9 бит/с, зрительный нерв, состоящий из 1 миллиона ганглионных клеток, передающих информацию со скоростью 1 бит/с, имеет пропускную способность только 10^6 бит/с. Например, было показано, что визуальные данные могут быть сжаты до 20 раз без заметной потери информации. Одно из предположений, используемых при проверке гипотезы эффективного кодирования, заключается в том, что нейроны должны быть эволюционно и в процессе развития адаптированы к естественным сигналам в их среде.

Изображения природы и статистика

Центральным в гипотезе Барлоу является теория информации, которая, применяемая к нейробиологии, утверждает, что эффективно кодирующая нервная система "должна соответствовать статистике сигналов, которые они представляют". Поэтому важно иметь возможность определять статистику природных изображений, которые производят эти сигналы. Исследователи изучили различные компоненты естественных изображений, включая контраст яркости, цвет и то, как изображения регистрируются с течением времени. Исследователи изучают, как контрасты светимости распределены в пространстве изображения: контрасты светимости высоко коррелируют, чем ближе они находятся в измеримом расстоянии, и менее коррелируют, чем дальше друг от друга пиксели. ICA устраняет избыточность, декоррелируя пиксели в естественном изображении. В ней объясняется, как эффективное кодирование реализуется, когда входный шум делает снижение избыточности более неадекватным, и как эффективное кодирование в разных ситуациях связано друг с другом или отличается друг от друга.

Гипотезы для проверки гипотезы эффективного кодирования

Если нейроны кодируют в соответствии с гипотезой эффективного кодирования, то отдельные нейроны должны выражать свою полную выходной мощность.

Примеры этих подходов

1. Второй. Прогнозируемый подход модели в одном исследовании Doi et al. В 2012 году исследователи создали прогнозируемую модель реакции ганглиальных клеток сетчатки, которая будет основана на статистике используемых естественных изображений, учитывая при этом шум и биологические ограничения. Затем они сравнили фактическую передачу информации, наблюдаемую в реальных ганглиевых клетках сетчатки, с этой оптимальной моделью для определения эффективности. Они обнаружили, что передача информации в ганглионных клетках сетчатки имеет общую эффективность около 80% и пришли к выводу, что "функциональная связь между конусами и ганглионными клетками сетчатки демонстрирует уникальную пространственную структуру, соответствующую эффективности кодирования. Они предположили, что если простые клетки организованы так, чтобы выбирать "основную структуру" изображений с течением времени, то клетки должны действовать как независимые компонентные фильтры. Другое исследование, проведенное Baddeley et al. В исследовании, проведенном в США, было показано, что распределение скорости запуска нейронов V1 зрительного поля кошки и инферотемпоральных (IT) нейронов обезьяны экспоненциально при натуралистических условиях, что предполагает оптимальную передачу информации при фиксированной средней скорости запуска. Последующее исследование обезьяньих ИТ-нейронов показало, что только меньшинство хорошо описывается экспоненциальным распределением запуска. Позже Де Полавьея утверждал, что это расхождение было связано с тем, что экспоненциальное решение верно только для безшумного случая, и показал, что, принимая во внимание шум, можно объяснить наблюдаемые результаты.

Расширения

Одним из последствий гипотезы эффективного кодирования является то, что нейронное кодирование зависит от статистики сенсорных сигналов. Эта статистика является функцией не только окружающей среды (например, статистики природной среды), но и поведения организма (например, как он движется в этой среде). Однако восприятие и поведение тесно переплетены в цикле действия восприятия. Например, процесс зрения включает в себя различные движения глаз. Расширение гипотезы эффективного кодирования, называемое активным эффективным кодированием (AEC), распространяет эффективное кодирование на активное восприятие. Он предполагает, что биологические агенты оптимизируют не только их нейронное кодирование, но и их поведение, чтобы способствовать эффективному сенсорному представлению окружающей среды. В этом направлении были предложены модели развития активного бинокулярного зрения, активного визуального отслеживания и контроля аккомодации. Мозг имеет ограниченные ресурсы для обработки информации, в зрении это проявляется в виде визуального узкого горла внимания. В результате этого мозг вынужден выбирать лишь небольшую часть визуальной информации для дальнейшей обработки, так как простого кодирования информации уже недостаточно. В дальнейшем была разработана теория V1 Saliency Hypothesis, основанная на экзогенном внимательном отборе визуальной входной информации для дальнейшей обработки, руководствуясь картой выделения снизу вверх в первичной зрительной коре.

Биомедицинские применения

Возможные приложения гипотезы эффективного кодирования включают в себя проектирование кохлеарных имплантатов. Эти нейропротезирующие устройства стимулируют слуховой нерв электрическими импульсами, что позволяет людям с нарушениями слуха или даже глухим восстановить часть слуха. Имплантаты считаются успешными и эффективными, и единственными, которые используются в настоящее время. Использование частотных местоположений в эффективном алгоритме кодирования может быть полезным при использовании кохлеарных имплантатов в будущем. Изменения в конструкции, основанные на этой гипотезе, могут повысить понятность речи у пациентов с нарушениями слуха. Исследования с использованием голосовой речи, обработанной различными фильтрами, показали, что люди имели большую точность в расшифровке речи, когда она была обработана с использованием эффективного кодового фильтра, в отличие от кохлеотропного фильтра или линейного фильтра. Это показывает, что эффективное кодирование данных о шуме обеспечивает преимущества в восприятии и предоставляет слушателям больше информации. Необходимы дополнительные исследования для применения текущих результатов в медицинских изменениях в конструкции кохлеарных имплантатов.