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人的大脑如何识别和检测运动(知乎)

更新时间:2020-07-11 23:46点击:

  人脑对运动的识别是一个很大的问题,目前来说没有完整解决。仅仅探究认知上人脑的运动检测功能,或许并不能完整的解释人脑对运动识别的高可靠性。还需要知道人眼的凝视(gaze)能力和该能力的实现的神经基础。而这一点,正是目前我们在计算机的运动追踪中很少被考虑到的。

  1.视觉通路(Visual Pathway)与视网膜拓扑映射(Retinotopy)

  上图是横断面的人脑视觉通路[1]示意图。人眼的所有眼各有鼻侧和颞侧视野,在视网膜(Retina)感知光信号之后,左右两侧的视神经将信号向后传递,在视交叉(Optic Chiasma)将各自的鼻侧和颞侧信号分流并继续向后传递,分流之后左侧神经只传递右侧视觉信号(左眼鼻侧视野和右眼颞侧视野),右侧神经质传递左侧视觉信号(左眼颞侧视野和右眼鼻侧视野),分别通过两侧的外侧膝状体(LGN, Lateral Geniculate Nucleus),继续传递到枕叶的初级视皮层(V1, Primary Visual Cortex)和更高级的视皮层. 易于理解的,视网膜感知的物体,通过该通路,会以一定空间关系映射视皮层上[2], 该关系被称为视网膜拓扑映射(Retinotopy)[3].

  基于该拓扑关系,人们甚至可以通过搜集视皮层的fMRI信号来重建人眼看到的文字/图象,即所谓Mind Reading[4-7].

  视觉信号传递到V1之后,会继续向更高级的视觉皮层传递,最早在根据猕猴(Macaque Monkey)视皮层的解剖结果,人们重建了其各个视皮层之间的分级结构[7]:

  从初级到更高级的视觉皮层,视觉信息逐级传递。人脑理解的内容越来越复杂化、抽象化,由“模式”变成具体的物,再到物的特性和物与物之间的关系。在逐级传到过程中,人们也注意到,其在皮层的传到可以大体分成两个通路,腹侧通路(Ventral Pathway/Stream)和背侧通路(Dorsal Pathway/Stream)[8]。

  “Where”跟物体的位置和运动处理有关,“When”跟物体的识别有关

  通过以上对分级结构的了解可以理解,在分级结构中任何一个区域的功能受损,都会影响人脑对运动的识别和跟踪,各种研究也证实了这一点[10-14]。人对运动的感知和理解,并不是局限在某一个脑区或者几个脑区,而是全脑参与的活动[15]。人脑在运动处理上,除了有被动的运动感知,还有主动的运动追踪,即凝视(共轭凝视,conjugate gaze)能力。

  (saccadic system),最常调用的系统,在人主动的调整凝视方向时使用[16];

  (Optokinetic reflex system),物体出现在视野,眼睛会追踪,当物体消失,人眼会反射性的回到凝视物体首次出现的位置;

  (Vestibulo–ocular reflex system),协调头部的运动以获得稳定的图像,是眼睛的“三轴稳定平台”。

  因而人眼就像一台高灵敏度、快速聚焦、快速响应、三轴稳定的摄像机,目前人类还造不出在对焦能力上足以和人眼比肩的摄像机,更别说做到跟眼睛同等体积了。人脑在运动识别及追踪处理上,目前区别于计算机运动识别追踪的重要一点是,

  在该机制下,通过“where”和“what”通路处理的信息,会传递到额叶眼领域(FEF, Frontal eye fields)等眼动控制中心,作出眼球运动响应。该机制因此有如下优点:

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