Beyin, anlamsız görünen siyah-beyaz görüntüleri tek bir ipucuyla nasıl çözüyor?

Bazı görseller ilk bakışta tam bir leke yığını gibi durur. Sonra aynı görselin orijinal hali gösterilir ve karmaşa bir anda anlam kazanır. Harvard Tıp Fakültesi, MIT'nin Beyinler, Zihinler ve Makineler Merkezi ve başka kurumlardan araştırmacılar, bu ani algı değişiminin sinirsel temelini inceledi. Sonuçlar Nature Neuroscience dergisinde yayımlandı.

Mooney görüntüleri nedir?

Mooney görüntüleri, gri tonları bilerek ortadan kaldırılmış, yalnızca siyah ve beyaz lekelerden oluşan resimlerdir. Gri tonların yokluğu, resimdeki nesneyi ya da sahneyi tanımayı zorlaştırır. İnsanlar bu görüntülere ilk baktıklarında çoğu zaman bir şey anlayamaz. Ancak aynı görüntünün gri tonlu orijinalini gördükten sonra siyah-beyaz hali birden anlam kazanır. Ders kitaplarında sık anılan Dalmaçyalı köpek yanılsaması da bu türden bir örnektir.

Çalışmanın son yazarı Gabriel Kreiman'a göre bu etki neredeyse ya hep ya hiç biçiminde işliyor: Kişi görüntüyü başta tanıyamıyor, gri tonlu karşılığını gördükten sonra tek seferde çözüyor.

Deney nasıl yapıldı?

Araştırmacılar, ilaca dirençli epilepsisi olan 13 gönüllüyle çalıştı. Bu kişilerin beynine nöbetleri izlemek amacıyla elektrotlar yerleştirilmişti. Ekip de aynı elektrotlardan yararlanarak tek tek nöronların etkinliğini kaydetti. Gönüllüler hızlı öğrenme ve görüntü tanıma görevini yaparken 1.000'den fazla nöronun etkinliği ölçüldü. Ardından makine öğrenmesi yöntemleriyle, nöron etkinlik örüntülerinde hangi bilginin, nerede ve ne zaman temsil edildiği izlendi.

Görevde katılımcılardan Mooney görüntülerini yorumlamaları istendi. Başlangıçta nesneleri yalnızca denemelerin %4'ünde tanıdıklarını bildirdiler. Sonra gri tonlu karşılıklar gösterildi. Bir ya da birkaç öğrenme dizisinin ardından, yani önce gri tonlu görüntü, sonra Mooney karşılığı sunulduğunda, ortalama tanıma oranı %83'e çıktı.

Beyinde ne değişti?

Gri tonlu orijinali görmek, siyah-beyaz görüntünün uyandırdığı sinirsel etkinliği de değiştirdi. Öğrenmeden sonra Mooney görüntüsüne verilen yanıtlar, orijinal görüntünün oluşturduğu yanıtlara daha çok benzedi. Bu benzerlik, görsel bilgiyi işleyen oksipital kortekste ve hipokampüsün de aralarında bulunduğu, bellekte rol oynayan medial temporal lobun bazı bölümlerinde görüldü.

Çalışmanın ortak birinci yazarlarından Marcelo Armendariz'e göre görsel korteks, yeni edinilen bilgiyi işlemek için ek süreye ihtiyaç duydu. Aynı gecikme bellek yapılarında da gözlendi. Armendariz bunu, yeni korteksin öğrenilen görüntüyü önce çözmesi, bilgiyi ancak sonra aktarması gerektiği şeklinde yorumluyor.

Arka plan

Görsel algı, gözün gönderdiği ham verinin pasif biçimde kaydedilmesinden ibaret değildir. Beyin, gelen sinyalleri önceki deneyimler ve beklentilerle birleştirerek anlam üretir. Belirsiz görüntüler bu nedenle sinirbilimciler için yararlı bir araçtır: Ekrandaki piksel bilgisi aynı kalırken algı değişebilir. Böylece araştırmacılar, görüntünün fiziksel özelliklerinden bağımsız olarak, öğrenmenin beyin etkinliğine yaptığı katkıyı ayırabilir.

Hipokampüs ise genellikle yeni anıların oluşumuyla ilişkilendirilen bir yapıdır. Görsel korteksle birlikte değişim göstermesi, hızlı öğrenmenin yalnızca görme sisteminde olup bitmediğini, bellek devrelerinin de sürece katıldığını düşündürüyor. Kafaya yerleştirilmiş elektrotlarla tek nöron düzeyinde kayıt almak ise nadir bir fırsattır. Bu tür kayıtlar, dışarıdan yapılan görüntüleme yöntemlerinin ayırt edemediği ayrıntıları gösterebilir.

Neden önemli?

Araştırmacılar, insan beyninin yeni bilgiyi nöronlar düzeyinde nasıl hızla kodladığını anlamak istiyordu. Bu bilgi yapay zekâ için de ilgi çekici. Birçok yapay zekâ algoritması, nesneleri tanımayı büyük bir örnek havuzunu inceleyerek öğreniyor. İnsan ise tek bir ipucuyla bir görüntüyü bambaşka yorumlayabiliyor. Bu farkın arkasındaki mekanizmalar daha iyi anlaşılırsa, ileride daha az örnekle öğrenebilen sistemlere ilham verebilir. Ancak bunun şimdilik bir olasılık olduğunu belirtmek gerekir: Çalışma doğrudan bir yapay zekâ yöntemi önermiyor, insan beynindeki öğrenme sürecini aydınlatıyor.

Bulguların bir sınırı da katılımcı grubundan kaynaklanıyor. Deney, nöbetleri izlenen epilepsi hastalarıyla yapıldı. Yine de bu yaklaşım, algının ani değişimini nöron düzeyinde izleme imkânı verdiği için, öğrenme ve bellek araştırmalarında önemli bir veri kaynağı sunuyor.