Wissenschaftler rekonstruierten allein anhand der Gehirnaktivität, was Mäuse sahen. )

Wissenschaftler haben die Gehirnaktivität von Mäusen in rekonstruierte Videos dessen übersetzt, was die Tiere sahen, ein Schritt hin zur Erforschung, wie das Gehirn die Vision umformt, bevor sie zur Wahrnehmung wird. Die Arbeit stammt von Forschern des University College London (UCL) und erscheint in eLife.

Neuronen für das Sehen lesen

Das Team zeichnete Signale von einzelnen Gehirnzellen im visuellen Kortex von Mäusen auf und nutzte diese Aufzeichnungen, um 10-sekündige Clips dessen zu erstellen, was die Tiere sahen. Der Ansatz unterscheidet sich von früheren Arbeiten, die sich auf breite Gehirnscans stützten. Hier stammen die Aufzeichnungen von einzelnen Neuronen, was ein genaueres Bild davon liefert, wie visuelle Informationen im Gehirn gespeichert werden.

Der Erstautor Dr. Joel Bauer vom Sainsbury Wellcome Centre an der UCL erklärte das Ziel: „Wir wollten eine bessere Möglichkeit finden, zu untersuchen, wie das Gehirn interpretiert, was wir sehen. Die derzeitigen Methoden, um zu verstehen, was bestimmte Neuronengruppen repräsentieren, sind nicht sehr auf Situationen übertragbar, die nicht speziell getestet wurden.“

Neuronale Messwerte in Videos umwandeln

Die Rekonstruktionsmethode stützt sich auf ein Modell, das erstmals im Sensorium Competition 2023 entwickelt wurde. Dieses Modell prognostiziert, wie einzelne Neuronen reagieren, wenn Mäuse Filme sehen, wobei die Bewegungen der Tiere und Veränderungen der Pupillengröße berücksichtigt werden. Das UCL-Team verfeinerte den Ansatz unter Verwendung desselben Datensatzes.

Zunächst berechneten sie, wie Neuronen sich verhalten würden, wenn die Maus auf einen leeren Bildschirm schaue. Dann verglichen sie diese Vorhersage mit der tatsächlichen Aktivität der Neuronen, während die Maus einen Film sah. Der Unterschied zwischen vorhergesagter und gemessener Aktivität steuerte einen Algorithmus an, der die Pixel eines anfänglich leeren Films anpasste und ihn so langsam dem Video annäherte, das die Maus tatsächlich gesehen hatte.

Ein neuer Test, ein neues Video

Der eigentliche Test kam, als das Modell mit etwas konfrontiert wurde, das es noch nie zuvor gesehen hatte. Die Forscher zeichneten die Gehirnaktivität einer Maus während eines Videos auf, das nicht für das Training verwendet worden war. Unter Verwendung nur dieser neuronalen Aktivität rekonstruierte das System einen 10-sekündigen Film, der dem unsichtbaren Video ähnelte.

Bauer wies auf die Stärke des Ergebnisses hin: „Mit diesem Ansatz konnten wir hochwertige Rekonstruktionen von 10-Sekunden-Videoclips erzielen. Die Genauigkeit der Rekonstruktionen verbesserte sich mit der Einbeziehung von Daten aus mehr einzelnen Neuronen, was die Bedeutung umfassender Neuraldaten demonstriert.“ Die Methode bestand nicht einfach darin, zuvor gezeigte Videos zu erinnern. Sie nutzte Muster der neuronalen Aktivität, um visuelle Informationen aus einer neuen Szene abzuleiten.

Übereinstimmung mit den Originalen

Um die Qualität der Rekonstruktionen zu überprüfen, verglichen die Forscher entsprechende Pixel in den Original- und den wiederaufgebauten Filmen. Die Analyse ergab nur geringe Unterschiede im Timing zwischen den beiden Videos. Es gebe noch Spielraum, die Bildauflösung und den Umfang der visuellen Szene zu verbessern, die wiederaufgebaut werden kann, so das Team.

Zukünftige Arbeiten werden Daten sammeln, die schärfere Rekonstruktionen ermöglichen und einen größeren Teil dessen abdecken, was die Tiere sehen.

Wahrnehmung und Realität

Die Forscher planen nun, die Technik zu nutzen, um eine tiefere Frage zu untersuchen: Wie stark unterscheidet sich das interne Bild des Gehirns von der Welt, die tatsächlich vor uns liegt? Sehen ist nicht einfach ein kamerartiger Aufnahmeprozess. Das Gehirn interpretiert, filtert und modifiziert kontinuierlich eingehende sensorische Informationen.

Bauer brachte den Punkt direkt auf den Punkt: „Wir haben keine perfekte Darstellung der Welt in unserem Kopf. Die visuelle Verarbeitungspipeline verzerrt und verformt unsere Darstellung auf eine Weise, die Informationen verändert. Diese Abweichung zwischen Realität und Darstellungen im Gehirn ist nicht unbedingt ein Fehler, sondern eine Funktion, die widerspiegelt, wie unsere Gehirne sensorische Informationen interpretieren und erweitern. Wir wollen untersuchen, wie dies im Gehirn geschieht.“

Die Arbeit bietet eine neue Möglichkeit, zu untersuchen, wie visuelle Informationen durch das Gehirn fließen, und eröffnet einen Weg, zu vergleichen, wie verschiedene Arten dieselbe Umgebung sehen.

Die Arbeit ist ein technischer Nachweis des Konzepts, der zeigt, was möglich ist, wenn Aufzeichnungen von einzelnen Neuronen und nicht von breiten Hirnsignalen stammen.

Sehen Sie das Video, um das die Geschichte aufgebaut ist, unter Sciencedaily.