A imagem à esquerda mostra como DNNs treinados para identificar objetos representam essas 3 imagens como igualmente diferentes. A imagem à direita mostra o importante papel que as informações semânticas desempenham ao aproximar as duas frutas no espaço, pois estão mais próximos em seu significado. Crédito:Lorraine Tyler et al.
Pesquisadores de neurociência da Universidade de Cambridge combinaram a visão computacional com a semântica, desenvolver um novo modelo que poderia ajudar a entender melhor como os objetos são processados no cérebro.
A capacidade humana de reconhecer objetos envolve dois processos principais, uma rápida análise visual do objeto e a ativação do conhecimento semântico adquirido ao longo da vida. A maioria dos estudos anteriores investigou esses dois processos separadamente; Portanto, sua interação permanece amplamente obscura.
A equipe de pesquisadores sediados em Cambridge investigou os processos de reconhecimento de objetos usando um novo método que combina redes neurais profundas com um modelo de rede atrator de semântica. Em contraste com a maioria dos estudos anteriores, sua técnica é responsável tanto pela informação visual quanto pelo conhecimento conceitual sobre os objetos.
"Anteriormente, realizamos muitas pesquisas com pessoas saudáveis e pacientes com danos cerebrais para entender melhor como os objetos são processados no cérebro, "os pesquisadores de Cambridge disseram Tech Xplore . "Uma das principais contribuições deste trabalho é mostrar que entender o que é um objeto envolve a entrada visual sendo rapidamente transformada ao longo do tempo em uma representação significativa, e este processo transformador é realizado ao longo do comprimento do lobo temporal ventral. "
Os pesquisadores acreditam firmemente que acessar a memória semântica é uma parte fundamental para entender o que é um objeto, portanto, as teorias que se concentram apenas nas propriedades relacionadas à visão não captam totalmente esse processo complexo.
Arquitetura do modelo integrado onde informações visuais cada vez mais complexas são mapeadas em informações semânticas. Crédito:Lorraine Tyler et al.
"Este foi o gatilho inicial para a pesquisa atual, onde queríamos entender completamente como as entradas visuais de baixo nível são mapeadas em uma representação semântica do significado do objeto, "explicaram os pesquisadores. Para isso, eles usaram uma rede neural profunda padrão especializada em visão computacional, chamado AlexNet.
"Este modelo, e outros gostam, pode identificar objetos em imagens com altíssima precisão, mas não incluem nenhum conhecimento explícito sobre as propriedades semânticas dos objetos, "eles explicaram." Por exemplo, bananas e kiwis são muito diferentes em sua aparência (cores diferentes, forma, textura, etc), mas, no entanto, entendemos corretamente que ambos são frutos. Modelos de visão computacional podem distinguir entre bananas e kiwis, mas eles não codificam o conhecimento mais abstrato de que ambos são frutos. "
Reconhecendo as limitações das redes neurais para visão computacional, os pesquisadores combinaram o algoritmo de visão AlexNet com uma rede neural que analisa o significado conceitual, incluindo o conhecimento semântico na equação.
"No modelo combinado, processamento visual mapeia para processamento semântico e ativa nosso conhecimento semântico sobre conceitos, "disseram os pesquisadores.
Sua nova técnica foi testada em dados de neuroimagem de 16 voluntários, que foram solicitados a nomear fotos de objetos enquanto faziam uma ressonância magnética. Em comparação com os modelos tradicionais de rede neural profunda (DNN) de visão, o novo método foi capaz de identificar áreas cerebrais associadas ao processamento visual e semântico.
Como diferentes camadas do DNN visual (roxo) e da rede de atratores semânticos (vermelho-amarelo) são mapeados em diferentes regiões do cérebro. Crédito:Lorraine Tyler et al. 
O método que eles desenvolveram fez previsões sobre os estágios de ativação semântica no cérebro que são consistentes com relatos anteriores de processamento de objetos, onde o processamento semântico de granulação mais grossa dá lugar a um processamento de granulação mais fina. Os pesquisadores também descobriram que diferentes estágios do modelo previram ativação em diferentes regiões da via de processamento de objetos do cérebro.
"Em última análise, melhores modelos de como as pessoas processam objetos visuais de maneira significativa podem ter implicações clínicas práticas; por exemplo, na compreensão de condições como demência semântica, onde as pessoas perdem o conhecimento do significado dos conceitos de objeto, "disseram os pesquisadores.
O estudo realizado em Cambridge é uma importante contribuição para o campo da neurociência, pois mostrou como diferentes regiões do cérebro contribuem para o processamento visual e semântico dos objetos.
"Agora é vital investigar como a informação em uma região pode ser transformada em um estado diferente que vemos em diferentes regiões do cérebro, "os pesquisadores acrescentaram." Para isso, precisamos entender como a conectividade, e a dinâmica temporal apóia esses processos neurais transformativos. "
A pesquisa foi publicada em Relatórios Científicos recentemente.
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