Bottom-Up и Top-down процессы

Система Bottom-up состоит из первичных перцепторных процессов, которые придают воспринятым нами объектам форму, цвет, движение и расположение. Предполагается, что структуры, позволяющие реализацию таких процессов, формируются на ранних стадиях жизни. Эксперименты с селективной перцепторной депривацией на животных дали основание предположить существование некоего критичного возраста, когда зрительная кора бурно развивает перцепторные анализаторы.

Top-down процессы позволяют нашему опыту восприятия сократить конкуренцию между возможными интерпретациями сенсорной информации. Очевидно, что информация, которая условно относится нами к top-down, постоянно обновляется. Также есть предположение о том, что чем позже у нас оформились данные навыки, тем сильнее возможность их деградации в старости. Некоторые люди, родившиеся слепыми и которые позже обрели зрение благодаря хирургии, уже во взрослом возрасте очевидно ощущают недостаточность в процессах, требующихся для распознавания окружающего мира другими органами чувств (Top-down).

Gregory (1998, стр. 154-156) описывает пациента SB, нарисовавшего двухэтажный автобус без передней части, что оставалось незамеченным два года. Также пациент SB испытывал затруднения с суждениями о вещах, опыт которых у него отсутствовал. Он считал, например, что если его нога касается земли когда он свешивается с подоконника, то расстояние до земли составляет в 10 раз больше, чем на самом деле. Грегори полагал, что подобные пациенты из-за ранее приобретенного опыта в других системах восприятия, недостаточно хорошо иллюстрируют развитие зрительной коры. Тем не менее, важность прошлого опыта top-down-процессов очевидна.

Представьте, что кто-нибудь создал робота, способного воспринимать без какого бы то ни было предшествующего опыта. Такая машина смогла бы использовать только bottom-up процессы и ей бы пришлось анализировать и фиксировать каждое новое зрительное чувство как свежий опыт. Ситуация, где одни только bottom-up процессы являются единственным вариантом анализа ощущений — не может претендовать на иллюстрацию человеческих процессов восприятия. Мы используем свой прошлый опыт, когда мы воспринимали объекты, которые из неуправляемых вдруг превращались в управляемые. Сила этой системы показана на рис. 1.

Первоначально картинка воспринимается как сцена двух сражающихся в джунглях персонажей. Однако, если перед просмотром рассказать, что на картинке также содержится изображение мальчика, читающего книгу, а пальма — это волосы мальчика, то часто приходит другая интерпретация. Как только произойдет идентификация мальчика, лежащего с книгой, мы теперь всякий раз будем видеть на картинке читающего мальчика, а воинственные фигуры в пальмовых зарослях (его голове) будут символизировать его мысли, возникающие при чтении приключенческой литературы. Если теперь эту картинку отложить, даже надолго, изображение мальчика все равно будет немедленно распознаваться без дополнительных долгих процессов вглядывания. Что же произошло?

В мозге произошла аккомодация опыта таким образом, что восприятие того же самого рисунка может быть ускорено при его следующем просмотре. Этот top-down процесс, использующий прошлый опыт, очень значим для восприятия зрительных образов, и когда он отсутствует или нарушается, тогда сильно нарушается все восприятие в целом.

Иллюстрация top-down обработки. Когда мальчик найден, дельнейшее распознавание будет уже основываться на прошлом опыте. Проводились эксперименты с top-down процессами у людей, не страдающих поражениями мозга. Например, Палмер в 1975 г. весьма наглядно подемонстрировал, что люди лучше распознают амбивалентные объекты, если их разместить в их нормальном контексте (например, разделочная доска — на кухне). Контекст позволяет убрать какое-то количество альтернативных трактовок изображения.

Использование прошлого опыта в распознавании не лишено недостатков. Когда люди говорят «Да вы должны видеть это!», обычно виноват top-down процесс. Преимущества нашей перцепторной системы весьма хрупкие. Это хорошо показывает ненадежность свидетельских показаний и эксплуатируется авторами детективов. Иногда то, что мы ожидаем увидеть, мешает видеть то, что происходит на самом деле. Возвращаясь к нейропсихическому моделированию процессов восприятия, нелишне будет напомнить о трудностях перцепции без top-down обработки. Система, анализирующая световую информацию с возрастающей градацией сложности, от базовых линий к конечным паттернам, концептуально является процессом bottom-up. Если bottom-up обработка — только один доступный нам метод перцепторного анализа, у нас появляются большие проблемы.

Пациенты с ассоциативной агнозией — хорошая иллюстрация разрыва в top-down процессах. У этих пациентов все в порядке со зрительным анализом объекта (т. е. bottom-up система в сохранности). Они находят соответствия и рисуют объекты. Тем не менее, они не могут распознать объект и у них нет идеи как его использовать и вообще зачем он нужен. Это отсутствие top-down обработки очевидно даже в попытке нарисовать объект. Рисовать для таких пациентов — испытывать терпение экзаменатора; долгий процеcc, в результате которого получается неясная, «колеблющаяся» копия, так, так будто бы они видят этот объект первый раз в жизни. И в каком-то смысле это так.

Это не только опыт значения, который передается обратно в перцепторные процессы, а физические характеристики объектов и лиц, которые могут также сохраняться и использоваться для будущих процессов восприятия. Было высказано мнение, что восприятие лиц зависит от хранящегося шаблона типических репрезентаций лиц. Если структуры, поддерживающие такую репрезентацию повреждены, пациент неизбежно испытывает сложности с распознаванием. Кроме того, ряд таких пациентов испытывает сложности с пониманием значения знакомых лиц. Возможно, поэтому чаще всего такое встречается при билатеральном поражении: должна быть поражена способность левого полушария находить значение и способность правого полушария обрабатывать физические свойства объектов.

У пациентов с нарушенной способностью распознавать объекты в необычных ракурсах или имеющих сложности с определением физических свойств лиц должны также наблюдаться нарушения top-down обработки — это объекты, которые зависят от нашего опыта и восприятию которых мы обучается. Повреждение информационной обработки такого рода можно рассматривать как симптомы апперцептивной агнозии.

Несмотря на большой объем анализа, требуемого для восприятия объектов в их типических расположениях, каждый объект может быть распознан и в менее узнаваемых позициях. Пока анализ необычных расположений и видов объекта занимает больше времени, чем само распознавание, задача узнавания будет почти невыполнимой, если мы не имеем каких-то возможных шаблонов нейронных репрезентаций, с которыми можно сравнить наш необычный ракурс гипотетического bottom-up изображения.

На самом деле, различие между процессами bottom-up и top-down — искусственная, выдуманная учеными конструкция, иллюстрирующая при этом абсолютно реальные и отличающиеся друг от друга механизмы, вступающие в игру во время процесса восприятия. Нейронные механизмы перцепции должны работать одновременно и интегрированно, пока не возникнут какие-нибудь необычные обстоятельства.

Наше моделирование пока что было построено вокруг случаев, которые в общем показывали определенный уровень недостаточности перцепторной обработки, но можно было положиться на изолированное левое полушарие. Также исследования показывали расстройство перцепторных процессов в случаях повреждения правого полушария. Изучение опухолей и обработка данных КТ, МРТ и ПЭТ поддерживает взгляд на специализацию правого полушария в распознавании лиц. Но помимо этой ясной демонстрации того, что правое полушарие вносит какой-то особенный вклад в процесс восприятия, мы, тем не менее, видим «рабское» копирование повседневных объектов в случаях ассоциативной агнозии. При ассоциативной агнозии (например, при опухолях левого полушария), копирование объектов происходит так, как будто бы больной до этого ни разу не видел подобных физических форм. Как мы можем примириться с такой невнимательностью, будучи уверены, что восприятие правого полушария утонченное и проработанное, одной из миссий которого является распознавание объектов? Это обычно рассматривается как вызов нашей системе восприятия. За подтверждением, полученным от пациентов с агнозией и результатами аппаратных исследований, последовали операции на разделенном мозге и презентации объектов правому полушарию. Это дает основание полагать, что два полушария работают в тандеме. Вероятно путь «what»¹ наиболее полно раскрыт в своем функционировании в левом полушарии. Когда левое полушарие повреждено или отсечено от правого, пациент перестает понимать окружающую обстановку, но физический и структурный анализ объектов также расшатывается, «размывается». Таким образом, навыки правого полушария не могут быть полностью реализованы без идентификационных систем левого полушария. Такая идентификация автоматически и, возможно, одновременно активирует правое полушарие для предоставления полной идентификации физических свойств распознаваемого объекта или лица. В большинстве ситуаций, процессы распознавания несомненно происходят параллельно в сети. В случаях деградации стимула, когда объект располагается среди теней, например, левое полушарие активирует диапазон возможных альтернатив в правом полушарии, некоторые из которых лучше других обрабатываются bottom-up процессами правого полушария. Проба на ошибки и совпадения, организованная левым (идентификационным) полушарием в своей финальной стадии приходит к заключительным выводам. Такое распределение обязанностей и способностей не выходит из под контроля и в случае разделенных полушарий — правое полушарие все еще управляет зрительной информацией, но не так впечатляюще, как в содружестве с левым полушарием и, разумеется, помимо сознания.

В литературе появляются экспериментальные свидетельства взаимодействия процессов top-down и bottom-up. Как сказано выше, таламус имеет обратные проекции из областей, в которых предположительно осуществляется перцепторный анализ; большинство афферентных (входящих) и эфферентных (исходящих) таламических связей — с кортикальными областями (Covey, 1994). На каждом уровне зрительного перцепторного анализа существуют обратные проекции и предполагается, что это позволяет нам оптимизировать трудоемкие bottom-up процессы, которые иначе начинались бы сначала для каждого вновь увиденного объекта. Доказательство top-down процессов в зрительном восприятии также было получено в ходе экспериментов над животными. Например, поле для клеток слоя V1 небольшое, однако такие индивидуальные клетки могут возбуждаться клетками, лежащими вне зрительного поля. Если восприятие показанной фигуры зависит от контекста (большинство наших повседневных картинок зависит от контраста переднего плана и заднего), индивидуальные клетки могут подвергаться воздействию соседних клеток. Другими словами, клетка может ответить на полоску под углом 45 градусов, но если эта полоска видится как часть выступающей полоски или окрашенной полоски, тогда информация, полученная одной клеткой будет интерпретироваться в зависимости от информации, полученной другими клетками. Сейчас появляются основания считать клетки V1 не рецепторами пассивного контура, а, наоборот, реагирующими на большее количество форм в сравнении с другими группами клеток, причем эти формы во многом связаны с опытом индивида и его ожиданиями (Zipster, Lamme, Schiller, 1996). Исследования на людях показывают, что фронтальная кора модулирует сигналы в затылочной доле в процессе выполнения перцепторных заданий (Barcelo, Suwazono, Knight, 2000). Несмотря на существенные пробелы в наших знаниях о мозге, процессы визуального восприятия — наиболее изученная область нейрофизиологии, дающая нам понимание о модульной структуре нервной системы.

1. «What» — условная конструкция, обозначающая путь, вовлеченный в идентификацию объектов и идущий вентрально от зрительной коры к височной доле. Есть еще путь «where», анализирующий расположение объекта и важный для визуально контролируемой манипуляции, идущий дорсально от зрительной коры и зависящий от теменно-затылочных и фронтальных структур. Возможно, что мимика — это невербальное представление объекта, использующее путь «where-action» для своего выражения, хотя Feirreira в 1992 г., поддерживая эту позицию, отмечал, что не все пациенты укладываются в данные объяснения.

Немного науки

Спекуляции о происхождении языка Коротко о физиологии речи Зоны речи и афазии Подкорковые афазии Нарушения чтения и письма Жаргон как патология Язык, рисование и правое полушарие Об эмоциях Депрессия