TED日本語 - パワン・シンハ: 脳がどのように見ることを学ぶか


TED Talks(英語 日本語字幕付き動画)

TED日本語 - パワン・シンハ: 脳がどのように見ることを学ぶか

TED Talks


Pawan Sinha on how brains learn to see





If you are a blind child in India, you will very likely have to contend with at least two big pieces of bad news. The first bad news is that the chances of getting treatment are extremely slim to none, and that's because most of the blindness alleviation programs in the country are focused on adults, and there are very, very few hospitals that are actually equipped to treat children. In fact, if you were to be treated, you might well end up being treated by a person who has no medical credentials as this case from Rajasthan illustrates. This is a three-year-old orphan girl who had cataracts. So, her caretakers took her to the village medicine man, and instead of suggesting to the caretakers that the girl be taken to a hospital, the person decided to burn her abdomen with red-hot iron bars to drive out the demons. The second piece of bad news will be delivered to you by neuroscientists, who will tell you that if you are older than four or five years of age, that even if you have your eye corrected, the chances of your brain learning how to see are very, very slim -- again, slim or none.

So when I heard these two things, it troubled me deeply, both because of personal reasons and scientific reasons. So let me first start with the personal reason. It'll sound corny, but it's sincere. That's my son, Darius. As a new father, I have a qualitatively different sense of just how delicate babies are, what our obligations are towards them and how much love we can feel towards a child. I would move heaven and earth in order to get treatment for Darius, and for me to be told that there might be other Dariuses who are not getting treatment, that's just viscerally wrong. So that's the personal reason.

Scientific reason is that this notion from neuroscience of critical periods -- that if the brain is older than four or five years of age, it loses its ability to learn -- that doesn't sit well with me, because I don't think that idea has been tested adequately. The birth of the idea is from David Hubel and Torsten Wiesel's work,two researchers who were at Harvard, and they got the Nobel Prize in 1981 for their studies of visual physiology, which are remarkably beautiful studies, but I believe some of their work has been extrapolated into the human domain prematurely. So, they did their work with kittens, with different kinds of deprivation regiments, and those studies, which date back to the '60s, are now being applied to human children.

So I felt that I needed to do two things. One: provide care to children who are currently being deprived of treatment. That's the humanitarian mission. And the scientific mission would be to test the limits of visual plasticity. And these two missions, as you can tell, thread together perfectly. One adds to the other; in fact, one would be impossible without the other. So, to implement these twin missions, a few years ago, I launched Project Prakash. Prakash, as many of you know, is the Sanskrit word for light, and the idea is that in bringing light into the lives of children, we also have a chance of shedding light on some of the deepest mysteries of neuroscience. And the logo -- even though it looks extremely Irish, it's actually derived from the Indian symbol of Diya, an earthen lamp. The Prakash, the overall effort has three components: outreach, to identify children in need of care; medical treatment; and in subsequent study. And I want to show you a short video clip that illustrates the first two components of this work.

This is an outreach station conducted at a school for the blind.

(Text: Most of the children are profoundly and permanently blind ...)

Pawan Sinha: So, because this is a school for the blind, many children have permanent conditions. That's a case of microphthalmos, which is malformed eyes, and that's a permanent condition; it can not be treated. That's an extreme of micropthalmos called enophthalmos. But, every so often, we come across children who show some residual vision, and that is a very good sign that the condition might actually be treatable. So, after that screening, we bring the children to the hospital. That's the hospital we're working with in Delhi, the Schroff Charity Eye Hospital. It has a very well-equipped pediatric ophthalmic center, which was made possible in part by a gift from the Ronald McDonald charity. So, eating burgers actually helps.

(Text: Such examinations allow us to improve eye-health in many children, and ... ... help us find children who can participate in Project Prakash.)

PS: So, as I zoom in to the eyes of this child, you will see the cause of his blindness. The whites that you see in the middle of his pupils are congenital cataracts, so opacities of the lens. In our eyes, the lens is clear, but in this child, the lens has become opaque, and therefore he can't see the world. So, the child is given treatment. You'll see shots of the eye. Here's the eye with the opaque lens, the opaque lens extracted and an acrylic lens inserted. And here's the same child three weeks post-operation, with the right eye open.


Thank you.

So, even from that little clip, you can begin to get the sense that recovery is possible, and we have now provided treatment to over 200 children, and the story repeats itself. After treatment, the child gains significant functionality. In fact, the story holds true even if you have a person who got sight after several years of deprivation. We did a paper a few years ago about this woman that you see on the right, SRD, and she got her sight late in life, and her vision is remarkable at this age. I should add a tragic postscript to this -- she died two years ago in a bus accident. So, hers is just a truly inspiring story -- unknown, but inspiring story. So when we started finding these results, as you might imagine, it created quite a bit of stir in the scientific and the popular press. Here's an article in Nature that profiled this work, and another one in Time. So, we were fairly convinced -- we are convinced -- that recovery is feasible, despite extended visual deprivation.

The next obvious question to ask: What is the process of recovery? So, the way we study that is, let's say we find a child who has light sensitivity. The child is provided treatment, and I want to stress that the treatment is completely unconditional; there is no quid pro quo. We treat many more children then we actually work with. Every child who needs treatment is treated. After treatment, about every week, we run the child on a battery of simple visual tests in order to see how their visual skills are coming on line. And we try to do this for as long as possible. This arc of development gives us unprecedented and extremely valuable information about how the scaffolding of vision gets set up. What might be the causal connections between the early developing skills and the later developing ones?

And we've used this general approach to study many different visual proficiencies, but I want to highlight one particular one, and that is image parsing into objects. So, any image of the kind that you see on the left, be it a real image or a synthetic image, it's made up of little regions that you see in the middle column, regions of different colors, different luminances. The brain has this complex task of putting together, integrating, subsets of these regions into something that's more meaningful, into what we would consider to be objects, as you see on the right. And nobody knows how this integration happens, and that's the question we asked with Project Prakash.

So, here's what happens very soon after the onset of sight. Here's a person who had gained sight just a couple of weeks ago, and you see Ethan Myers, a graduate student from MIT, running the experiment with him. His visual-motor coordination is quite poor, but you get a general sense of what are the regions that he's trying to trace out. If you show him real world images, if you show others like him real world images, they are unable to recognize most of the objects because the world to them is over-fragmented; it's made up of a collage, a patchwork, of regions of different colors and luminances. And that's what's indicated in the green outlines. When you ask them, "Even if you can't name the objects, just point to where the objects are," these are the regions that they point to. So the world is this complex patchwork of regions. Even the shadow on the ball becomes its own object. Interestingly enough, you give them a few months, and this is what happens.

Doctor: How many are these?

Patient: These are two things.

Doctor: What are their shapes?

Patient: Their shapes ... This one is a circle, and this is a square.

PS: A very dramatic transformation has come about. And the question is: What underlies this transformation? It's a profound question, and what's even more amazing is how simple the answer is. The answer lies in motion and that's what I want to show you in the next clip.

Doctor: What shape do you see here?

Patient: I can't make it out.

Doctor: Now?

Patient: Triangle.

Doctor: How many things are these? Now, how many things are these?

Patient: Two.

Doctor: What are these things?

Patient: A square and a circle.

PS: And we see this pattern over and over again. The one thing the visual system needs in order to begin parsing the world is dynamic information. So the inference we are deriving from this, and several such experiments, is that dynamic information processing, or motion processing, serves as the bedrock for building the rest of the complexity of visual processing; it leads to visual integration and eventually to recognition.

This simple idea has far reaching implications. And let me just quickly mention two,one, drawing from the domain of engineering, and one from the clinic. So, from the perspective of engineering, we can ask: Goven that we know that motion is so important for the human visual system, can we use this as a recipe for constructing machine-based vision systems that can learn on their own, that don't need to be programmed by a human programmer? And that's what we're trying to do.

I'm at MIT, at MIT you need to apply whatever basic knowledge you gain. So we are creating Dylan, which is a computational system with an ambitious goal of taking in visual inputs of the same kind that a human child would receive, and autonomously discovering: What are the objects in this visual input? So, don't worry about the internals of Dylan. Here, I'm just going to talk about how we test Dylan. The way we test Dylan is by giving it inputs, as I said, of the same kind that a baby, or a child in Project Prakash would get. But for a long time we couldn't quite figure out: Wow can we get these kinds of video inputs? So, I thought, could we have Darius serve as our babycam carrier, and that way get the inputs that we feed into Dylan? So that's what we did. (Laughter) I had to have long conversations with my wife. (Laughter) In fact, Pam, if you're watching this, please forgive me.

So, we modified the optics of the camera in order to mimic the baby's visual acuity. As some of you might know, babyies are born pretty much legally blind. Their acuity -- our acuity is 20/20; babies' acuity is like 20/800, so they are looking at the world in a very, very blurry fashion. Here's what a baby-cam video looks like.

(Laughter) (Applause)

Thankfully, there isn't any audio to go with this. What's amazing is that working with such highly degraded input, the baby, very quickly, is able to discover meaning in such input. But then two or three days afterward, babies begin to pay attention to their mother's or their father's face. How does that happen? We want Dylan to be able to do that, and using this mantra of motion, Dylan actually can do that. So, given that kind of video input, with just about six or seven minutes worth of video, Dylan can begin to extract patterns that include faces. So, it's an important demonstration of the power of motion.

The clinical implication, it comes from the domain of autism. Visual integration has been associated with autism by several researchers. When we saw that, we asked: Could the impairment in visual integration be the manifestation of something underneath, of dynamic information processing deficiencies in autism? Because, if that hypothesis were to be true, it would have massive repercussions in our understanding of what's causing the many different aspects of the autism phenotype.

What you're going to see are video clips of two children -- one neurotypical,one with autism, playing Pong. So, while the child is playing Pong, we are tracking where they're looking. In red are the eye movement traces. This is the neurotypical child, and what you see is that the child is able to make cues of the dynamic information to predict where the ball is going to go. Even before the ball gets to a place, the child is already looking there. Contrast this with a child with autism playing the same game. Instead of anticipating, the child always follows where the ball has been. The efficiency of the use of dynamic information seems to be significantly compromised in autism. So we are pursuing this line of work and hopefully we'll have more results to report soon.

Looking ahead, if you think of this disk as representing all of the children we've treated so far, this is the magnitude of the problem. The red dots are the children we have not treated. So, there are many, many more children who need to be treated, and in order to expand the scope of the project, we are planning on launching The Prakash Center for Children, which will have a dedicated pediatric hospital, a school for the children we are treating and also a cutting-edge research facility. The Prakash Center will integrate health care, education and research in a way that truly creates the whole to be greater than the sum of the parts.

So, to summarize: Prakash, in its five years of existence, it's had an impact in multiple areas, ranging from basic neuroscience plasticity and learning in the brain, to clinically relevant hypotheses like in autism, the development of autonomous machine vision systems, education of the undergraduate and graduate students, and most importantly in the alleviation of childhood blindness. And for my students and I, it's been just a phenomenal experience because we have gotten to do interesting research, while at the same time helping the many children that we have worked with.

Thank you very much.


もしあなたがインドで生まれつき目の見えない子どもだったら 少なくとも二つの大きな悪いニュースに 立ち向かわなければなりません 最初の悪いニュースは 視力回復の手術の機会は ほとんどないか、全くないということです なぜなら、インドのほとんどの 視力回復プログラムは 成人が対象となっており、 本当に本当に少ない病院しか 子どもの手術ができる施設がありません 実際のところ、もし治療を受けることができても おそらくは、医者の資格をもたない人に 治療を施される可能性は高いです ラジャサンのケースのようにです この女の子は3歳の孤児で 白内障です 世話人がこの子をつれて 村の祈祷師のところへ行くと この祈祷師は、世話人に 病院へ連れていくことを勧めず この子の腹部を焼くことにしました 真っ赤になるまで熱した鉄でです 彼女の中にいる悪魔を追い払うためです あなたに届けられる 二つ目の悪いニュースは 神経科学医から届きます それは、あなたが4?5歳以上なら たとえ目の治療を受けたとしても あなたの脳がどのように物を見るかを学ぶチャンスは 本当に少ないということです 繰り返しますが、チャンスがあっても、ないに等しいのです

この二つのニュースを聞いて 私はとても悲しかった 科学的にも、 個人的にもです では、まず個人的な理由からお伝えしようと思います かっこいい話ではないですが、正直にお伝えします こちらは、私の息子、ダリウスです 新米の父親としては ちょっと異質な気持ちをもっています 赤ちゃんがどれほど繊細なのか 赤ちゃんに対する義務は何か 赤ちゃんへの愛情が どれほどなのかといったことです 私はダリウスの治療のためなら 全力を尽くします 私は、ダリウスのように 治療を受けられない子どもが 他にもいるというのを聞くと それはいけないと本能的に思うのです これは個人的な理由です

つぎに、科学的な理由です 臨界期に関する 神経科学の見解では 4歳か5歳以上になると、 脳は学ぶ能力を失うというのです ただ、私はあまりこの考えに納得いきません なぜかというと、この考えは 十分に検証されていないからです この考えは、デビッド・ヒューベルと トルステン・ウィーゼルの研究によるものです この二人はハーバード大学に在籍していました 視覚生理学の研究において、 1981年にノーベル賞を受賞しました 彼らの研究は本当に素晴らしいものでしたが 彼らの研究には 人間に応用するのが 時期尚早な部分もあったと思います さまざまな欠乏症をもった 子猫などを使って 60年代という昔に行われた この研究の成果が 現代の人間の子どもたちに適用されているのです

そのため、私は二つのことをしなくてはならないと思っています 一つめは、 現在治療を受けられない子どもたちに 治療を施すことです これは人道的な使命です そして、科学的な使命は 視覚の可塑性の限界を 試すことです お察しのとおり、この二つの使命は お互いを完全にうまく組み合わせることができます 実際、この二つの使命は一つが欠ければ、不可能となります この二つの使命を 実行するために 数年前に、プロジェクト・プラカシュを立ち上げました プラカシュは、多くの人が知っているように サンスクリットで光を意味するものです このプロジェクトは、 多くの子どもたちの命に光をもたらすとともに 神経科学の深い謎を 解明するという可能性も 秘めています ロゴは、とてもアイルランド的にも見えますが 実は インドではディヤと呼ばれる陶製のランプのシンボルに由来します プラカシュの目的は 3つあります 手を差し伸べてケアが必要な子どもたちを見つけることと 治療と、その後の研究です では短いビデオをこれからお見せします このビデオは、最初の2つの目的を説明するものです

これは支援センターです ある盲学校で行われました


ここは盲学校なので 多くの子どもたちは永久に目が見えない状態です 小眼球症の場合、 眼球が奇形となり 永久に変わらないため 治療ができません これは、小眼球症の極端な例で 眼球陥入といいます しかし、時々 わずかながら視力を持つ子どもたちに出会うことがあります そしてこれはとても良いサインなのです このサインは治療ができるかもしれないという状態なのです そのため、検査が終わった後で、このような状態の子どもたちを病院に連れてきます 私たちと一緒に問題に取り組むデリーの病院です シュロフ・チェリティ・アイ・ホスピタルといいます ここはとても施設が整った病院です この小児眼科センターは ロナルド・マクドナルドの基金の協力もあって 設立されました ハンバーガーを食べのも役に立ちますね

(テキスト:このような検査をすることで 多くの子どもたちの目の健康を改善できますし、 プロジェクト・パラケシュに参加できる子を見つけられます)

この子どもの眼球を良く見てみると この子がなぜ失明したのかがわかります 瞳孔の真ん中に、白い部分が見えますか これは先天性白内障です レンズの混濁です 私たちの眼の中にあるレンズは透明です しかし、この子のレンズは濁ってしまったのです そのため、この子は目が見えないのです で、この子に治療を施しました。この子の目の写真が見えると思います これが混濁したレンズを持つ目の写真です この混濁したレンズを取り除き アクリルのレンズを挿入しました で、これが治療後の同じ子どもの目です 手術後3週間です 右目が開いています



そして、このビデオクリップを見て頂いただけでも、 治療が可能だということをおわかり頂けたと思います そして、私たちは、これまでに 200人の子どもたちに治療を施しました これからも続けていきます 治療後にこの子どもの視力は 大きく改善しました この話は 数年間ほとんど視力がなかった人が 視力を回復した場合にも当てはまります 数年前にある女性のことを論文にしたことがあります この写真の右側にいるのがその女性S.R.D.です 彼女は高齢ですが、視力を取り戻したのです そして彼女の視力は、彼女の年齢を考えるととてもすばらしく良いのです 悲しいニュースを付け加えなくてはならないのですが、 彼女は2年前に バスの交通事故で亡くなりました しかし、彼女のケースは本当に感激的でした あまり知られてはいませんが、とても勇気づけられます こういった成果が表れると ご想像のとおり、科学誌や一般紙でも かなり混乱がみられました これがネーチャーに掲載された記事です このケースの詳細が掲載されました 他にはタイム誌があります そのため、私たちは確信しました 視力の回復は実行可能だと たとえ長い間視力がほとんどなかったとしてもです

当然、次にこんな疑問をもたれるでしょう 回復の過程はどうだったのでしょうか 私たちの研究では 光を感じられる子どもを見つけて この子を治療します 強調しておきますが この治療は完全に無償です 報酬などは全くありません さらに多くの子どもに治療を施し、研究も進めます 治療が必要な子どもは全て治療します 治療が終わったら、ほとんど毎週 その子どもに 一連の視力テストをします このテストは子どもたちの視覚的な能力が どのように発達したかを確認するためにです 私たちはできるだけこのテストを続けていきます この一連の発達を見れば 今までみたことのない そしてとても貴重な情報が手に入るのです どうやって、視力の基盤が できていくかという情報です 幼少期の視力発達能力と 大人になってからの視力発達の能力は どのような因果関係があるのでしょうか

この一般的手法で さまざまな角度から視力の発達を研究してきましたが 特に1つ注目していただきたいことがあります それは物のイメージ分析能力です 左側に見えるようなどんなイメージも 実際のイメージであれ、合成されたイメージであれ 真ん中に見えるような 小さな領域で構成されています 違う色や違う光度の領域です 脳は、複雑な処理をして こういった領域からなるサブセットを 組み合わせたり、統合したりすることで もっと意味のあるものや 物と認識できるものを形成して 右側に示すようなものを作ります でも、どうやって統合しているかは誰にも分かりません そしてこれがプロジェクト・パラカシュで考えている問題なのです

こんな事がありました 視力回復のすぐ後にあったことです この人は数週間前に視力を回復しました MITの院生であるイーサン・マイヤーズが 彼と一緒に実験をしました 彼の視覚と運動の協応には大きな問題がありました しかし、彼のこの問題に取り組むには どの領域を取り扱えばいいのか何となくつかめています 彼に実世界のイメージを見せたり 彼に限らず同じような状態の人に実世界のイメージを見せても 彼らはほとんどの物を認識することができないのです 世界が細かく寸断されすぎているからです 色や光度が異なる領域の組み合わせや、寄せ集めとして 構成されているように見えます この緑色の線がそれを示しています 彼らに、どんな物か分からなくてもいいから、 どこに物があるか指し示してごらんというと こういった領域を指します こういった領域の複雑な組み合わせとして この世界を見ているのです ボールの影でさえも、 一つの物として見えるのです おもしろいことに 数か月経つと、 こんなことが起こります




患者:これは.. これは円で これは 四角です

このような劇的な変化が見られるのです ここで疑問が浮かびます どうやってこの変化が起きたのでしょうか これはとても重要な質問です そしてさらに素晴らしいのは、 答えが非常に簡単なことです 答えは動きの中にあります そしてこれが次のクリップでお見せしたいものでもあります





医師:ここには物が何個ありますか? 今は何個にありますか




こういった事例を何度も目にします 世界を分析するために 視覚のシステムが必要とするのは 動きの情報なのです このことから導くことのできる推測は 数々の実験もしてわかったことですが 運動に関する情報の分析、もしくは 動きの分析は 他の複雑な視覚分析をするうえで、 重要な基盤になるということです これによって、視覚情報を統合でき 最終的には、認識ができるようになります

このシンプルなアイデアは、広範囲に適用できる可能性をもっています では、簡単に二つの話をします 一つは、エンジニアの領域の話しで もうひとつは臨床的な領域の話です エンジニアの観点からすると こんな疑問が浮かばないでしょうか 人間の視覚システムにとって、動きが 非常に重要だと分かったのだから、これを利用して 機械を使用した視覚システムを開発できないだろうか? つまり、自分で学習する機械であって、人間が プログラムする必要のない機械です そして、それが今私たちが取り組んでいることなのです

私はMITに在籍していますが、MITでは 基礎知識を全て実用化することが求められます われわれは、ディランという コンピューターシステムを開発中です 私たちは高い目標を持っています それは、人間の子どもが受容するような 視覚インプットを入力し 視覚インプットに含まれる物を 自動的に認識するのです ディランの中身のことは気にしないで下さい ディランをテストする方法だけ お話しします ディランをテストするときには プロジェクト・プラカシュで赤ちゃんや子供に与えるものと 同じようなインプットを与えます しかし、ずいぶんと長い間、私たちはどこから このビデオインプットを得たらよいかわかりませんでした 私はこう思いました ダリウスに 小さなカメラを持たせて そしてこのインプットをディランに入力できないかと で、私たちは実行に移しました (笑い) 私は妻と長い間話し合いました (笑い) 実際、パム、もしこれを見ているなら どうか許して下さい

カメラの光学系を改造して 赤ちゃんの視力を再現しました ご存知の方もいらっしゃると思いますが 赤ちゃんはほとんど目の見えない状態で産まれます 私たちの視力は20/20ですが 赤ちゃんの視力は20/800くらいです そのため、赤ちゃんは世界を とてもとてもぼやけた状態で見ているのです 小さなカメラで見るとこのようになります

(笑い) (拍手)

幸いにも、撮影したときの 音声はありません すばらしいのは このように低画質のインプットでも 赤ちゃんは非常に早く インプットから意味を発見できるのです さらに、2?3日すると 赤ちゃんは父親や 母親に注意を向けるようになります どうやっているのか?ディランに同じことをさせたいのです 動きを利用するアイデアを使えば この程度の映像情報でも ディランは同じことができるようになるのです 6?7分間のビデオで ディランは顔など 情報のパターンを抽出しはじめます これは、動きを利用することが いかに有効であるか実証しています

臨床的な知見は、自閉症の領域から得られます 視覚情報の統合を 自閉症と関連付けている研究者もいます これを知ったとき、私たちは思いました 視覚情報をうまく統合できないのは 自閉症の場合に、動きに関する情報をうまく 処理できないことの原因を示しているのではないかと なぜなら、この仮説が正しければ 自閉症にさまざまな表現型がある要因について 私たちの見解は 大きく変わることになるからです

これからご覧いただくビデオは 神経学的に正常な子と、自閉症の子が ポンで遊んでいるときの映像です ポンで遊んでいる子の視線を、追跡しています 赤い部分が視線の軌跡です これは神経学的に正常な子のものです。よく見ると この子は動きに関する情報から 手掛かりを得て どこのボールがいくのか予測しているのです ボールがある場所に行く前に この子はすでにその場所を見ています この子と自閉症の子が同じゲームをするのを 比べてみましょう 予測する代わりに この子はいつもボールがどこにあったかを見ています 自閉症の場合には 動きに関する情報を処理する能力に 大きな障害があるようです 今この研究を進めていますが 今後より多くの情報が 得られることを望んでいます

これからのことを考えますと、もしこのディスクが これまでに治療した全ての 子どもたちの数を表すとしたら この課題の規模はこれぐらいです この赤い点は治療を受けていない子どもたちを表しています とてもとても多くの子どもたちが治療を必要としています ですから、このプロジェクトの範囲を広げるために ある計画をしています プラカシュ・センター・フォー・チルドレンです これは小児科に特化する病院で 治療を受ける子どもたちのための学校で そして、最先端の研究施設でもあります プラカシュ・センターはヘルスケアと 教育と研究を統合し それぞれの部門の合計よりも さらにすばらしい全体の結果を本当の意味で作り上げるものです

まとめると、プラカシュは、創立して5年となりますが 多くの部門で効果がありました 基本的な神経科学や 脳の可塑性や学習力、 自閉症のような臨床学的に適応できる分野もです 自律的な視覚システムの開発 大学生や大学院生の教育 そして最も重要なのは 目の見えない子どもが減ったことです 私も私の生徒も とても素晴らしい経験をしています なぜなら、とても興味深い研究をしながら 同時に 一緒に取り組む子どもたちを助けることができるからです



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