OPTIKEREN 1 . 2008
s t o f F a g l i g t
32
Vores syns opfattelse af rum er en af de centrale tolkninger af vores omverden. Nye undersøgelser har vist, at denne rumlighed sandsynligvis bliver dannet af enkelte neuroner, der reagerer på simple træk i det sete.
HVAD HJERNEN SER
Af Jan Skøt
spændende indsigt i, hvordan hjernen virker helt nede på celleniveau.
“Vi kan måle, at hvordan en enkelt nervecelle reagerer på en specifik stimulation af synet. Og vi kan vise, hvordan den ændrer sin reaktion på grund af noget andre nerveceller kan se, som den ikke selv kan se. Men hvordan det kan lade sig gøre, er stadig noget mystisk”. Rüdiger von der Heydt, professor i neurofysiologi på Mind/Brain Institute, Johns Hopkins University. Hvordan forstår vi vores omgivelser? Hvordan kan lys, der falder ind i vores øjne bliver til en tredimensional forståelse af verden inde i vores hoved? Er der en mystisk sjælelig proces eller bare biologisk mekanik? Mennesket har tænkt over det meget længe. Svar har vi ikke fundet, men af og til dukker der uhyre tankevækkende eksperimenter op, som det Rüdiger von der Heydt fra Johns Hopkins University har lavet. Eksperimentet handler om, hvordan vi ser og synes at vise, at enkelte neuroners tolkning af meget specifikke elementer ved et todimensionalt billede er basis for vores oplevelse af en tredimensional verden. Eksperimentet antyder også en
Jan Skøt Oprindeligt uddannet som cand. phil. i nordisk litteratur fra Århus Universitet. Har arbejdet som freelancejournalist siden 1988. Laver i øjeblikket radio for Harddisken på DR’s P1 og skriver for Ingeniøren, Politiken, Samvirke og en række andre blade og magasiner.
Enkelte neuroner i abehjerner Det har længe været klart, at hvis vi skulle nå større indsigt i tankers opståen, så ville en af de bedste veje være målinger af enkelte neuroner. Men eftersom teknologien i øjeblikket kræver, at man åbner hjerneskallen og indfører adskillige mikroskopiske nåle - oven i købet er man nødt til at gøre det flere gange for at finde de rigtige neuroner - så er det ikke noget, man kan gøre med mennesker. I stedet har von der Heydt lavet forsøget med makakaber, som har et fortræffeligt syn og ofte bruges til denne type undersøgelser. Der er flere spidsfindige elementer, der skal være i orden, før forsøget virker: Von der Heydt undersøgte neuroner i den del af hjernebarken, hvor man ved, at synsindtryk bearbejdes. Hver neuron registrerer kun signaler fra et bestemt lille udsnit af synscellerne i nethinden - neuronen “ser” kun indenfor dette synsområde, det såkaldte receptive field. Når den udvalgte neuron først er blevet kalibreret, så man præcist kender dette område, er det muligt at stimulere det. Man kan vise et billede, hvor man præcist ved hvilken del af billedet, den målte neuron reagerer på. Ved hjælp af kameraer, der optager abens øjenbevægelser, kan man sikre sig, at den har kigget på det rigtige sted i det øjeblik, hvor man måler. Uden alle disse forholdsregler er det reelt umuligt at sige, om de målte reaktioner har noget med billedet at gøre. Det er en temmelig avanceret forsøgsform, men den er fuldstændig afhængig af en lille og aktiv abes opmærksomhed på det rigtige sted:
- Vi er nødt til at træne aberne, så de fokuserer på det samme sted tilstrækkeligt længe. De skal fiksere stedet til deres hjernebark er færdig med at bearbejde indtrykket - forklarer von der Heydt - Vi træner dem til at fiksere ved at belønne dem med for eksempel en dråbe frugtjuice for en rigtigt udført opgave. Aberne sidder foran en computerskærm, hvor billederne kan vises med den nødvendige præcision. Gestaltning af et rum Det von der Heydt har undersøgt er en af de mest fundamentale måder, vores syn tolker et rum på. Det blev første gang beskrevet af den danske psykolog Edgar Rubin - hans disputats “Synsoplevede figurer” fra 1915 er en del af grundlaget for von der Heydts forskning. Rubins iagttagelser er en del af gestaltteorien om oplevelse. Dens grundlæggende idé er, at helheden er større end de enkelte dele - delene gestalter eller danner en helhed. For eksempel ser vi ikke en hel masse prikker på række som en hel masse prikker på række, men som en linje. Når vi taler om rumlighed, så er en af de centrale iagttagelser, at vi deler synsoplevelsen op i baggrund og figurer. Og hvis der er flere figurer, der dækker for hinanden, er det afgørende, hvordan vi tolker grænsen mellem dem. Hvis vi for eksempel har to træer, hvor det ene står foran det andet (se illustration) så ser vi ikke et rundt træ og et bananformet træ - vi ser et rundt træ, der står foran et andet træ med en muligvis symmetrisk krone. Tolkningen bestemmes af, at vi oplever grænsen mellem de to træer, som tilhørende det forreste træ - det er en afgræns-
F a g l i g t s t o f
B: Simple 2D billeder kan som regel tolkes på to forskellige måder. Det øverste billede kan enten tolkes som et lyst objekt på en mørk baggrund eller som et vindue i en mørk flade ind til en lys baggrund.
ning af det forreste træ, men ikke af det bagerste. Hvis vi gjorde det modsatte, ville vi netop se et rundt og et bananformet træ ved siden af hinanden. Det er præcis denne effekt, der er på spil i et af de berømteste eksempler på gestaltteorien, tegningen Rubins vase opkaldt efter Edgar Rubin. Det er den velkendte tegning, som både kan opfattes som en vase eller to ansigter, der kigger på hinanden. Afgørende for om, man ser det ene eller det andet, er om man tilskriver ejerskabet af skillelinjen til vasesiden eller ansigtssiden. Denne måde at tolke det sete på er aktiv hele tiden. Den er så aktiv, at vi ikke kan se et fotografi af et landskab som jo vitterligt kun er et 2D-billede af farvede flader - uden straks at lave 3D-tolkninger. Netop undersøgelsen af ejerskab af skillelinjen mellem to forskelligt farvede felter er første del af von der Heydts spidsfindige forsøg. Hvem ejer grænsen? Man har i over ti år vidst, at neuroner i den visuelle del af hjernebarken reagerer på at få vist den slags skillelinjer. Von der Heydts forsøg gik ud på at vise, hvor ofte, hvordan og om man kan koble det sikkert sammen med vo-
res bevidste opfattelse af rumlighed. Første del af hans forsøg gik ud på at vise aberne en tegning, hvor der var et lyst eller mørkt felt på en kontrasterende baggrund. Billedet blev vist på en skærm på sådan en måde, at den målte neurons synsområde lå midt på skillelinjen mellem de to felter. Det giver to uhyre interessante iagttagelser: Den første er, at neuronerne kun reagerer, når grænsen skal ejes til en bestemt side. I eksemplet på illustrationen er det, når den hvide firkant ejer grænsen, svarende til en tolkning af den lyse firkant som foran den mørke baggrund. Hvis grænsen hører til den anden side - som ved en sort firkant på en hvid flade, hvis rumlige tolkning er en hvid flade med et vindue foran en mørk baggrund - så regerer neuronen ikke. Det vil sige, at neuronen reagerer fuldstændig i overensstemmelse med gestaltreglerne om, hvordan vi tolker den slags billeder. Men forsøget var sat sådan sammen, at neuronen faktisk “så” det samme i begge tilfælde. Den del af billedet, der befandt sig i neuronens synsområde og et pænt stykke udenom - var nemlig præcist det samme. Det var farven på omgivelserne, der afgjorde om den ene eller den anden firkant blev tolket
som forgrund. Så når neuronen reagerer altså ikke ud fra det, den ser, men ud fra den sammenhæng, som de andre neuroner fortæller den, at dens synsindtryk findes i. - Vi ved ikke, hvordan systemet gør det her - forklarer Rüdiger von der Heydt - Det går fantastisk hurtigt og neuronerne er meget skarpt afgrænsede i den måde, de reagerer på. Men i øjeblikket har vi ikke nogen god forklaring på det. Men forsøget viser altså helt klart, at den enkelte målte neuron er i stand til at integrere information fra andre neuroners tolkning af billedet og lade det påvirke dens egen tolkning af grænsens tilhørsforhold. Et bekræftende forsøg Man kan argumentere for, at det er usikkert, hvad man egentlig måler om det virkelig drejer sig om rumlig tolkning. Derfor gik anden del af forsøget ud på undersøge de samme neuroners reaktion på såkaldte Random Dot Stereogrammer, RDS. Det er den type billeder, der umiddelbart ligner visuel støj, men hvis man fokuserer “igennem” billedet, så reorganiserer vores synscenter det og pludselig kan vi se en tredimensional scene. Her bygger den rumlige opfattelse
A: En enkelt neurons rektion, den sorte ellipse på billederne er den målte neurons synsområde. Forsøget blev gentaget med to forskellige størrelser af billedet for at se om det påvirkede neuronens reaktion. Målinger viser, hvordan neuronen reagerer næsten ens i begge tilfælde og hvordan den reagerer kraftigt, når den rumlige tolkning er at lægge ejerskabet af grænsen til den hvide firkant. B: Viser hvordan feltet rundt om neuronens synsområde - indenfor de stiplede linjer - er det samme på begge billeder. Neuronens reaktion er afhængig af om den omgivende flade er lys eller mørk, det vil sige om den samlede opfattelse af billedet er af en lys firkant på mørk baggrund eller omvendt. I øvrigt en oplevelse, som vi også har bevidst - uden illustrationen B er det svært at se, at der er tale om den samme figur.
OPTIKEREN 1 . 2008
A: Der er kun tale om farvede felter på et fladt billede, alligevel er vi ikke i tvivl om, at det lyse træ står foran det mørke træ. Eller at vi kan se kanten af det lyse træ hele vejen rundt, men ikke kanten af det mørke træ.
33
OPTIKEREN 1 . 2008
s t o f F a g l i g t
34
på stereoskopiske oplysninger, altså en helt anden måde at tolke rumlighed på end gestaltreglerne. I forsøget fik neuronerne vist et RDS-billede, der efterlignede den situation, som neuronen tolkede tidligere altså for eksempel en lys firkant foran en mørk baggrund. Det viste sig, at en mindre gruppe af de neuroner, som von der Heydt målte på, var følsomme overfor begge måder at analysere dybde på. Og grunden til at von der Heydt overhovedet har fortalt om sit forsøg er, at de reagerede på samme måde i begge situationer. Groft sagt kan man sige, at de gav et samme signal, hver gang de troede, at de så en firkant foran en baggrund. Uanset om de reagerede på gestalt eller RDS dybdeinformationer. Når de gør det, er det meget nærliggende at konkludere, at det virkelig er dybdeoplevelse af verden, de fortæller os om. Et neuron = en computer? Det spændende er selvfølgelig, at det
tilsyneladende er enkelte neuroner som denne, der befinder sig langs med grænsen i billedet, der afgør, hvordan vores bevidsthed opfatter figuren og dermed verden omkring os. Eksperimentet er på sporet af enkelte simple tanker, som “der står et træ” eller ”der ligger en kuglepen” for uden disse neuroners fortolkning af rum, ville vi nærmest ikke være i stand til at se objekter. Men eksperimentet åbner også for en meget interessant forståelse af, hvordan vores hjerne fungerer - med von der Heydts ord: - Jeg tror, at der findes masser af mekanismer, der bearbejder massive informationsmængder på mellemniveauer. Det er processer, som ofte er meget selektive og opfylder et bestemt formål. Hvis vi kunne finde ud af, hvordan de processer bliver styret, ville vi være nået langt i forståelsen af hjernen. Men allerede billedet af en enkelt neuron, der er i stand til at modtage input fra et begrænset antal celler i nethinden og derefter koordinere en
tolkning med andre neuroner på nogle hundrede mikrosekunder er nyt i sin præcision. Hvis vi skal sammenligne med moderne elektronik, giver det også et billede af de enkelte neuroner, som noget der i kompleksitet ligner en computer meget mere end de ligner en transistor. Ikke overraskende har von der Heydt oplevet stor interesse fra forskere, der forsøger at udvikle syn og kunstig intelligens til robotter. Links: Den oprindelige videnskabelige beretning om forsøget fra tidsskriftet Neuron: http://phy.ucsf.edu/~idl/pdf_articles/Qiu_Neuron_2005.pdf Rüdiger von der Heydts hjemmeside: http://www.mb.jhu.edu/vonderheydt.asp