Автореферат (Закономерности перестройки крупномасштабной нейронной сети головного мозга человека при распознавании лиц в условиях неопределенности)

На правах рукописиЖукова Ольга ВикторовнаЗАКОНОМЕРНОСТИ ПЕРЕСТРОЙКИ КРУПНОМАСШТАБНОЙ НЕЙРОННОЙСЕТИ ГОЛОВНОГО МОЗГА ЧЕЛОВЕКА ПРИ РАСПОЗНАВАНИИ ЛИЦ ВУСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ19.00.02 ― ПсихофизиологияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата психологических наукСанкт-Петербург– 20172Диссертация выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете.Научный руководитель:Официальные оппонентыдоктор медицинских наук, профессорШелепин Юрий Евгеньевич,заведующий лабораторией физиологиизрения,Федеральноегосударственноебюджетное учреждение науки «Институтфизиологии им.

И.П. Павлова» Российскойакадемии наукдоктор биологических наук, профессор,Бабенко Виталий Вадимович,профессор кафедры психофизиологии иклинической психологии, Федеральноегосударственное автономноеобразовательное учреждение высшегообразования «Южный федеральныйуниверситет»кандидат психологических наук,Королькова Ольга Александровнастарший научный сотрудникЦентра экспериментальной психологии,Федеральное государственное бюджетноеобразовательноеучреждениевысшегообразования «Московский государственныйпсихолого-педагогический университет»Ведущая организация:Федеральное государственное бюджетноеучреждение науки «Институт высшейнервной деятельности и нейрофизиологии»Российской академии наукЗащита состоится «____» ____________ 2017 г.

в ____ часов на заседании советаД 212.232.22 при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу:199034, Санкт-Петербург, наб. Макарова, д.6, ауд. , факультет психологии.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. М. Горького СанктПетербургского государственного университета по адресу: Университетская наб., д.7/9 и насайте disser.spbu.ru.Автореферат разослан «___» _________________ 2017 г.Ученый секретарь диссертационного советакандидат психологических наукА.В. Трусова3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования. Исследование механизмовраспознавания мимики в системе межличностной коммуникации являетсяважнейшей фундаментальной проблемой когнитивных наук (Барабанщиков,2002-2014; Михайлова, 2005; Bruce, 2000, 2012; Bondar, 2006, 2015, 2016;Jenkins, 2008, 2011; Korolkova, 2014-2016; Babenko, 2015, 2016; Burton, 2015,2016; Freiwald, 2016; Young, 2016; Chernorizov, 2016).

В нашем исследованииакцент сделан на распознавание лица в пороговых условиях наблюдения(Кемпбелл, Шелепин, 1990; Campbell, Shelepin, 1989, 1992). Решение этойзадачи имеет как теоретический, так и прикладной аспект. Уже несколько вековулыбка Джоконды Леонардо да Винчи - яркий пример мимических деформацийлица на пороге восприятия - представляет интерес для широкого кругаспециалистов.Необходимо отметить, что принятие решения о лице обеспечиваетсясложным взаимодействием «первичных» и «последующих, высших» уровнейобработки информации в зрительной системе человека.

Различная информацияо наблюдаемой сцене или объекте, от механизмов рецепции до принятиярешения и организации двигательного ответа, передается по разным каналам.Между всеми каналами на разных уровнях происходит взаимодействие, а необычная передача сигнала с каскада на каскад. Эти связи множественные и ониоказывают важнейшее влияние на процессы классификации, распознавания,принятия решений и организацию двигательного ответа. Изменение целей,поставленные перед наблюдателем в задачах распознавания отдельных свойствизображения, вероятно, приводит к перераспределению активности в каналах,представленных в мозгу нейронными сетями.

При рассогласованиивзаимодействия каналов в зрительной системе могут наблюдаться различныенарушения. Так, пациенты с прозопагнозией могут распознавать тольколокальные признаки лица и уже на основе данной информацииидентифицировать человека, но интеграцию отдельных признаков в единыйобраз проводить не могут (Bouvier, 2005). При рассогласовании взаимодействияканалов зрительной системы, когнитивных и эмоциональных путей обработкиинформации о лице может возникнуть синдром Капгра (Capgras, 1923) –избирательное отсутствие эмоционального отклика на знакомое лицо присохранении функций его распознавания.Представляет интерес исследование закономерностей перестройкиактивности каналов, нейронных сетей при распознавании лиц в условияхнеопределенности.

На семантическом уровне примером неопределенностиможет служить паттерн слабых мимических проявлений эмоций, например,мимика Джоконды. На физическом уровне примером неопределенности можетслужить помеха различной степени интенсивности, наложенная наизображение. Исследования распознавания в условиях неопределенностинаправлены на развитие современных нейротехнологий, которые представляютсобой новый класс искусственных нейронных сетей глубокого обучения,4решающих практические задачи распознавания лиц. Данное направлениенаходится на стадии своего активного развития, что требует решения рядазадач широким фронтом, с привлечением психологических, психофизических,психофизиологических и нейротехнологических методов исследования.Степень разработанности проблемы.

В середине 1960-хх гг. быларазработана концепция о гностических нейронах, локализованных внижневисочной коре и избирательно реагирующих на целостные объекты и(Konorski, 1967; Gross, 1972, 1973, 1992). Вначале 1980 гг., в области днаверхней височной борозды мозга обезьян, были зарегистрированы откликигруппы клеток на изображения лиц. Было показано, что на целые лица ипеременчивые аспекты, данные группы клеток отвечали активнее в сравнении сдругими типами изображений.

Данные ответы изменялись и в случае наличияпомех, которые сильно ухудшали возможность восприятия лиц (Perret et al.,1982, 1985; Rolls, 1986, 1987, 1992). Далее, экспериментально было показано,что активность нейронов в данной области, определяется не только наличием вполе зрения изображения лица, а весьма чувствительна к лицевой мимике.Было высказано предположение, что эти нейроны оценивает направлениевзгляда, положение уголков губ, глаз, бровей, степень их изгиба и взаимногорасположения частей лица, что важно для опознания мимики (Haxby et al.,2000, 2011; Sarkheil et al., 2013). В области нижневисочной коры были такжезарегистрированы специфичные реакции на изображения лиц, отличавшиеся посвоей топографии от реакций на изображения домов, мебели или букв (Tanakaet al., 1991, 1996, 1997, 1998).

На основании полученных данных былапостроена схема строения нижневисочной коры, состоящей из сверхколонокнейронов, которые реагируют на разные вариации в изображении одногообъекта. Исследован механизм адаптации нейронов к изображению лица внижневисочной коре (Танака et al., 1991, 1993, 2003; Tsunoda, 2001). Показано,что происходит адаптация к семантике изображения, аналогично тому, как и напредыдущих уровнях зрительной системы, происходит адаптация к физическимпризнакам изображения, таким как яркость, цвет, ориентация, контраст,пространственная частота.

В дальнейшем, к основным зонам мозга,отвечающим за распознавание лиц, была включена так называемая «затылочнаяобласть лица» (occipital face area) в нижней затылочной извилине. В нейнайдены статистически значимые отличия ответов нейронов при восприятииизображений лиц, в сравнении с другими объектами (Haxby et al., 2000, 2011;Ishai, 2008). Значительное внимание исследователей было направлено также наизучение тех областей мозга, которые демонстрируют синхронное изменениекровотока в различных условиях стимуляции (Raichle, 2007). На этомосновании получило развитие представление о крупномасштабных нейронныхсетях головного мозга человека. Были выявлены и описаны различныекрупномасштабные паттерны, которые играют важную роль в задачахраспознавания лиц: «сеть зеркальных нейронов», «ментальная сеть», «сетьэмпатии» (Михайлова, 2005; Raichle et al., 2001; Rizzolatti et al., 2001, 2010;5Iacoboni, 2005; Panakhova, 2016).

Нейрофизиологические основы пониманияорганизации данных сетей были заложены Б. П. Бабкиным, который разработалконцепцию о «временной связи» в нейронных сетях живых организмов(Бабкин, 1904). Результаты, полученные Б.П. Бабкиным, стали основой дляразвития современных нейротехнологий, которые представляют собой новыйкласс искусственных нейронных сетей (LeCun, 2004; Krizhevsky, 2012; Cadieu,2014), технологий, являющихся продолжением работ середины 20 века(Розенблатт, 1965; Hebb, 1949; Fukushima, 1982; Hopfield, 1982; Kohonen, 1982;Von der Malsburg, 2010).Цель исследования: психофизиологическими методами изучить порогиизменения мимики и поворота головы и закономерности перестройкикрупномасштабных нейронных сетей головного мозга человека прираспознавании лиц в условиях неопределенности.Задачи:1.Провести теоретический анализ распределения активностикрупномасштабныхнейронныхсетейголовногомозгачеловека,обеспечивающих распознавание мимики в пороговых условиях.2.Психофизическими методами выявить пороги распознаваниячеловеком мимических выражений и поворота головы в зависимости отградации выраженности признака, уровня аддитивной некоррелированнойпомехи и количества измененных пикселей изображения.3.Психологическими методами оценить роль тревоги как ситуативнойпеременной у испытуемых при оценке изображений лиц в условиях высокойстепени неопределенности сигнала.4.Психофизиологическими методами (функциональной магнитнорезонансной томографии - фМРТ) определить структуру и функциональныеособенностикрупномасштабнойнейроннойсети,обеспечивающейраспознавания лиц; изучить закономерности перестройки крупномасштабныхнейронных сетей в зависимости от градаций выраженности мимики, приизменении инструкции и адаптации к повторным предъявлениям одного и тогоже лица.5.Сопоставитьданные,полученныевпсихологической,психофизической и психофизиологической сериях исследования.