Nekorektní blog Petra Kubáče na Blog.cz

Reticulum je latinsky mřížka a dneska, v předposledním díle seriálu, probereme mozkovou struturu ještě starší než "mozek po dinosaurech" z minula. V počátečních dílech seriálu jsem sliboval, že do hloubky mozkových struktur nepůjdeme , ale zde do hloubky půjdeme, protože nejenom, že maši roboti už retikulární formaci mají, ale dokonce její řešení v robotech je prakticky shodné s řešením stejných funkcí v mozku.

Retikulární formace je jedna z nejstarších mozkových struktur, která původem sahá snad až někde k rozptýlené nervové soustavě medůz a korálů - je to síť neuronů, proplétající celý mozek, která sbírá a vyhodnocuje informace o aktivitě jednotlivých částí mozku. Tedy ne "co se děje" ale "že se něco děje" a podle toho řídí metabolismus, distribuci krve ale zejména SPÁNEK a BDĚNÍ.

Myslíte, že tohle v robotech někde máte ? Že by power management procesorů, nebo celých počítačů (notebooků) ? Že by to byl i přerušovací podsystém ?

Pro robotiky - čisté programátory - kteří neví co je to přerušení v procesorech - FUJ styďte se !!!! A nastudujte zde !!!! Takže v mozku je to volná síť neuronů procházející každou oblastí. Že by to v procesorech byl systém signálů, procházející všemi funkčními jednotkami, který končí na společném hradle které dává informaci Pracuje se / nepracuje se ? Ano je to tak a je s podivem, že systém přerušení v počítačích vznikl v době kdy o retikulární formaci v mozku byla jenom matná představa a počítačoví inženýři rozhodně tehdy nestudovali neurovědy kvůli inspiraci - jako dneska.

K činosti Retikulární formace tutíž není moc co dodat - když se něco děje bdíme, když se nic neděje nudíme se a jsme ospalí, krom toho má retikulární formace i svůj 24 hodinový rytmus spánku a bdění, který částečně funguje i bez stimulace cyklem den / noc. Samozřejmě že retikulární formace má i své choroby jako je narkolepsie, kdy člověk z plného vědomí díky krátkému výpadku retikulární formace usíná v sekundě třeba ve stoje atd.

Legrační na konstrukci retikulární formace je, že pochází z doby, kdy přiroda ještě moc neuměla rozdělit nervovou soustavu na funkční bloky (část žluté a fialové oblasti na obrázku), takže její neoddělitelnou součástí je i řízení dýchání, krevního tlaku, srdeční činnosti, pohyb hladkého svalstva (střeva, cévy, průdušky), řízení sekrece žlaz, i "obskurní věci" jako erekce, a ejakulace, porod atd. Přesně ta oblast typu "vestavěné nabíječky", o které se zmiňuju jenom kvůli pozoruhodné podobnosti se systémem naších elektronických miláčků....

Pomalu jsem chtěl tento serál ukončit a se čtenáři se rozloučit, ale stále jsme ještě neprobrali všechno.

Tedy jsou tak důležité oblasti lidského života, že dodnes jsou řízeny z velmi starých mozkových struktur, které jsem doposud označoval jako "mozek po dinosaurech". V komunistické učebnici neurofyziologie se jim kulantně říkalo "funkce pro zachování jedince a druhu", ale dnes máme moderní dobu tak co bychom si brali servíky - jedná se o tři věci - SEX, ŽRÁDLO, a AGRESIVITA

Je s podivem, že to, co bolševik spíše tlumil a považoval za "poněkud ožehavé" je dnes hlavním motorem společnosti, nikdo se za to nestydí a MBA manažeři své archaické mozky a jejich výplody dokonce hrdě prezentují veřejnosti.

Na druhou stranu Mezimozek a jeho součást Limbický systém, o kterém bude dneska řeč opravdu řeší nejenom nepodstatnosti jako - fúzovat s firmou XYZ po dohodě, nebo nepřátelsky, případně vyspat se se sekretářkou / šéfem nebo ne, ale opravdu zásadní věci zabít /nezabít, znásilnít / neznásilnít, ukrást / neukrást atd. Katolící to nazývají "desatero přikázání" a robotici říkají křemíkovému ekvivalentu těchto věcí "tři zákony robotiky"

Je pozoruhodné jak malou a po celém mozku rozesetou oblast limbický systém zabírá. Ano to je ta struktura na obrázku, která ani není celá tvořena mozkovou kůrou. Vztah limbického systému k celém zbytku mozku bych popsal takto : Mozková kůra je chladná a racionální analýza vstupů z čidel, a příprava výstupů na svaly. Prefrontální kůra - ta dva prsty nad levým okem, která jsme "My" - dává věcem emocionální zabarvení, ale to, zda to budou kladné nebo záporné emoce rozhoduje limbický systém.

Lidé jsou vrozeně různí a mají různý podíl mozkové kůry na rozhodování - od nás Geeků, kde mozková kůra rozhoduje téměr na 100%, přes manažery, po primitvy a zločince, kde mozková kůra prakticky jenom konkretizuje impulsy z limbického systému.

Mozková kůra má prostředky jak limbický systém poněkud ovládnout a překonat jeho impulsy. Lidská společnost je ale tak složitá, že většina z nás, většinu času žije v lehkém rozporu s vlastním limbickým sytémem. Prostě nelze skákat na každou atraktivní blondýnu v tramvaji. Dokonce se dá říci, že celá oblast umění a humanit (snad s výjimkou filosofie) neřeší nic než rozpor mezi "zvířecími a lidskými" pohnutkami, tedy jak mozkovou kůrou ovládnout limbický systém. - ona si má brát bohatého, miluje však chudého .... syn zabije otce a vezme si matku ..... Strýc nalije králi jed do ucha aby se dostal na trůn ..... atd. Prakticky veškerá výchova je zaměřena na to jak zvládnout vlastní limbický systém a prakticky celé umění řeší směr kam jít v této výchově. Takže my robotici kroutíme hlavou nad divokými patlaninami moderních malířů, ale ony vlastně jsou ventil agresivity současné společnosti, takže ač prvoplánově zbytečné - patrně jsou důležitejší než se zdají...

Vzhledem k tomu, že na světě neexistuje živočich, který by neměl ekvivalent limbického systému, nemáme vůbec tuchy jak by vypadaly společenstva jedinců bez něj, tutíž nemáme tuchy jestli by naši roboti takové strutury a funkce potřebovali, nebo ne. Vzhledem k tomu. že roboti budou taky tvořit nějaká společenstva patrně budou potřebovat nějaká pravidla, jestli si je vytvoří racionálně sami, nebo jim je vnutíme my není jasné. Dokonce je možné, že s růstem složitosti umělé inteligence zjistíme, že detailní programování chování není účelné a tudíž se primitivní systém, který nejasné situace vždy nasměruje "někam" ukáže být jako nezbytný. Přikladem budiž "první dojem" který vzniká z nejasných (čti našemu vědomí nedostupných) pohnutek zato velmi rychle (do tří vteřin).

Na samotný závěr ještě dvě poznámky - součástí limbického systému je čich - odtud psi čichající k háravým fenám i náš průmysl parfémů pohrávající si s emocemi na pomezí sexu a násilí (viz názvy parfémů "Pashion" "Opium" "Incest" atd ...). Mimo to je součástí limbického systému i Amygdala a Hippocampus - dvě struktury řídící zapamatování informací - odtud zázračné studijní výsledky po sexu i mizerná paměť při stresu.

Jak už jsem psal - nevím zda tohle je důležité pro biologickou inspiraci stavby robotů, ale je to tak nepominutelná část mozku, že nelze o ní nenapsat.

Nadpis minulé kapitoly byl asi poněkud záhadný, proč MP3 v hlavě ? Takže zase dodávám malé shrnutí a vysvětlení - MP3 kodér vezme zvuk rozloží jej na jednotlivé frekvence a ty s různou přesností - podle nastaveného bitového toku - zapíše do MP3 souboru. Mozek (kupodivu) přitupuje ke zvuku úplně stejně, a kdybyste slyšeli zvuk ze zvukových procesorů kochleárních implantátů pro hluché je to úplně jako MP3 s extrémně nízkým datovým tokem.

Jinak pokud jste četli celý seriál dovedete si dnešní kapitolu zabývající se analýzou slyšeného a mluvením snadno odvodit sami. Takže na samotný začátek jenom v heslech

Je třeba dodávat něco více ? Mozek je prostě všude nudně stejný a pro zpracování dat z reálného světa vysoce efektivní. Stejně jako naše počítače jsou všechny stejné a pro zpracování dat z reálného světa překvapivě neefektivní.

Dneska jsem zvolil jiný než svůj oblíbený 5x opakovaný obrázek mozku. Ale pojďmě vysvětlovat. Neurony z vnitřního ucha vysílají své axony do mezimozku, což byla původní sluchová oblast ryb a plazů (příroda nikdy neopouští zavedený design) tam se signál přepne na další neurony a skončí v primární sluchové oblasti označené na obrázku "auditory". Ta má "somatotopické uspořádání" tj. zvuky s podobnými frekvencemí mají blízká místa kde vlákna končí. Kolem je sekundární slucová oblast, která podrobněji analyzuje slyšené.

Jako u zraku jsme měli sekundární vrstvu která analyzovala kolečka, čtverečky čárečky v zorném poli i tady sluchová kůra analyzuje zvuky asi tím způsobem, že pokud rachot motoru má ty a ty a ty harmonické frekvence tak prostě centrum detekující rachot motoru má své dendrity v příslušných oblastech primární kůry a bere odtud informace.

V úplně nejzadnější a nejvyšší oblasti sekundární sluchové oblasti je tzv. Vernickeovo centrum - něco jako terciární kůra, která analyzuje smysl řeči ve slyšeném audiu. Lokalizaci tohoto centra známe velmi přesně už od dávných dob, protože když mozková mrtvice toto centrum zničí nastane známá situace zvaná "senzorická dysfázie" tedy stav popisovaný jako "slyším, ale nerozumím"

Nyní se zaměřte na oblast na obrázku zvamou "Broca Area" - Brocovo motorické řečové centrum. tam vzniká mluva - protože mluvení je motorická činnost - tedy výstup na svaly je stejně jako ostatní motorické oblasti mozek poněkud asymetrický a Brocovo centrum je jenom v dominantní polovině mozku - tedy většinou vlevo. Povšimněte si, že Brockovo centrum je velice blízko čelnímu laloku označném jako "prefrontal area" - tam dva prsty nad levým okem - běží v kůře program našeho vědomí a vůle - tam jsme "My". Naše volní pohnutky se tedy velmi snadno přenášejí do řečového centra. Smutné je, že díky mozkovým mrtvicím známe úlohu a funkci Brockova centra velmi podrobně stejně jako u Vernickeova centra. Při mrtvici v této oblasti člověk buď zmlkne zcela "motorická afázie" nebo při částečném poškození spojeném s poškozením asociačních oblastí čelního laloku človék mluví způsobem popisovaným jako "slovní salát" - fragmenty slov a vět se náhodně řadí za sebe což doktoři označují jako motorická dysfázie.

Brockovo centrum je většinou vlevo. Aniž bych chtěl zabřednout do "magického myšlení" které obestírá rozdělení mozku na pravou a levou hemisféru tak je nutno poznamenat, že to není 100% pravidlo.

Jak je to konkrétně u vás - nevím, a mozkovou mrtvici, při které se na to často přijde vám rozhodně nepřeji.

Ještě detail ohledně syntézy řeči - samozřejmě je to jako s každou jinou motorikou - z prefrontální oblasti nad levým okem jdou signály do asociačních oblastí, které spouštějí hierarchicky organizované pohybové stereotypy zde označované jako hlásky, slabiky, slova, věty, fráze, odstavce, blábolení Václava Klause ;-)) atd...

Přestože sluch nemá dynamický rozsah 10²⁷ což je impresivních 540 deciBellů jako zrak i přesto je poměr mezi prahem slyšení a prahem bolesti 130 dB, což vyžaduje jistou regulaci zesílení. Navíc se jedná o převod mechanického vlnění na elektrické impulsy, proto budeme muset probrat sluch i z mechanického hlediska.

Těžko asi hledat někoho kdo nezná ucho a nesahal si prstem do zevního zvukovodu. na dně zevního zvukovodu je bubínek. Z hlediska robotiků je to nepodstatné ale bubínek má 2/3, které jsou napnuté a snímají zvuk a 1/3 je povolená a slouží jenom jako bariéra. Příznačné pro způsob jakým příroda konstruuje zvířátka je to že mezi napnutou a povolenou částí jde bubínkem Chorda tympani - což ne nerv !!!, který vede chuťové informace z předních 2/3 jazyka do mozku. Takže pokud vám pořádně zhnisá střední ucho - ztratíte chuť. Skoro jako (někteří ) Roboti rychle splácaní před Robotour. A to už vůbec nemluvíám o tom, že pokud vám zhnisá vnitřní ucho přestanete hýbat polovinou obličeje, protože tamtudy jde Nervus facialis, který to řídí ...

Za bubínkem jsou sluchové kůstky - u savců 3 u ptáků jenom 1. Důvod proč máme 3 sluchové kůstky spočívá v tom, že mezi nimi je sval - nejmenší v lidském těle - musculus stapedius, který řídí zesílení celé mechanické soustavy a zvyšuje tím dynamický rozsah. Musculus stapedius reaguje s předstihem, takže pokud jste v dětství trpěli častými záněty středního ucha a zrovna se chystáte zařvat - jasně uslyšíte cvaknutí - jak se musculus stapedius snaží omezit citlivost ucha abychom sami sebe zbytečně neohlušovali ....

No a pak je samotné jádro celého ucha - vnitřní ucho - alias hlemýžýď - což je 2,5 závitový stočený kanálek ve spánkové kosti, který je rozdělen na tři trubičky, v kterých se šíří zvuk. Je nutno poznemnat, že zevním zvukovodem se zvuk šíří vlněním vzduchu, středním uchem se říží jako kmitání kůstek a vniřním uchem se šíří jako kmitání tekutin zvaných perilymfa a endolymfa. Protože jsou tekutiny nestlačitelné je hlemýžd rozdělen na 3 kanálky - jedním jde zvuk tam tzv. Scala tympani, druhým jde vlnění zpátky tzv Scala vestibuli. V obou je perilymfa a jsou otvůrkem ve vrcholu hlemýždě spojeny. Třetí oddíl je vyplněn endolymfou a obsahuje tzv. Cortiho orgán, ve kterém je 25 000 vláskových buněk, které snímají vibrace membrán a mění je na nervové impulsy.

Vlny které jdou přes Scala Tympaní tam a pres Scala Vestubuli zpět spolu cestou interferují a vytářejí stojaté vlnění, které spolu s měnícím se průměrem hlemýždě vytváří pro každou frekvenci typické rozložení maxim a minim oscilací - což vede už v kostěném hlemýždi k rozkladu zvuku na jednotlivé frekvence, které se pak nervovými vlákny vedou do mozku. Takže ucho používá ne složité DSP algoritmy, ale relativně jednoduchou "hardwarovou" Fourierovu transformaci. Je to poučné i pro techniky ? Vést někam 20 000 drátků se nám nechce takže asi zůstaneme u FFT. Živé organismy, které nedovedou vysílat nervové vzruchy s větši frekvencí než asi 1000 Hz však nemají jinou možnost.

Analýza zvuku ve středním uchu velice připomíní generování MP3. Taky není div, protože MP3 je na míru přizpůsobeno dokonalostem a nedokonalostem našeho sluchu. Druhá oblast podobného typu jsou kochleární implantáty, kdy místo středního ucha zašijeme pacientovi několik 16-64 elektrod, které jsou napojeny na zvukový procesor který dělá FFT a dráždí jednotlivé elektrody v kosteném hlemýždi. Zvuk, který je místo na 25 000 různých frekvencí rozdělen jenom 64 - tím vzniká zvuk, který vypadá jako když Kačer Donald křičí do roury od kamen, ale mozek si i na takový zvuk nakonec zvykne.

Další osud nervových vláken je poměnrně jednoduchý - jdou přes několik přepnutí v Thalamu do sluchové mozkové kůry, která jako obvykle má primární, sekundárnní a další asociativní oblasti. Primární sluchová kůra má jako obvykle somatotopické uspořádání - tedy zvuky blízké si svou frekvencí jsou si blízké i místem zpracování v mozku. Je vysoce pravděpodobné, že to je proto že další analýza probíhá podobným způsobem jako zrak. Tj. v sekudnární a vyšších etážích jsou pro každý myslitelný zvuk (slovo,. hudbu hluk) centra, které jsou napojena na patřičná místa v primární kůře. Toto vše probereme příště. Dnes zůstaneme ještě na poněkud nižší úrovni.

U sluchnové nervové dráhy se totiž vyskytuje zajímavý fenomén - asi 60% nervových vláken jde do opačné mozkové polokoule (jak bychom po minulých přednáškách očekávali). Menšina vláken směřuje na stejnou stranu, na které je ucho. To má za následek, že pokud dojde k úplnému zničení sluchové oblasti na jedné straně - sluch z opačné strany se jenom poněkud zhorší, ale nevymizí. To vedlo "staré kliniky" k různým spekulacím proč tomu tak je. Předpokládám. že robotikům to bude jasné okamžitě. Sluch totiž na základě rozdílné fáze zvukových vln slyšených levým a pravým uchem, stejně jako na základě rozdílné amplitudy (ta se kupodivu tolik neuplatňuje) je schopen rozlišit velice přesně i směr přicházejícího signálu. Z tohoto důvodu potřebuje informaci z vlastní i z opačné strany. A protože u senzorických funkcí není mozek rozdělen na dominantní a nedominantní hemisféru zpracovávají tuto informaci (duplicitně) sluchové oblasti na obou stranách.

Když jsme už u toho tak ucho je schopno určit nejenom zdali zvuk přichází zleva, nebo zprava, ale i shora a zdola - což nejde určit jen na základě fázového rozdílu (nemění se s výškou zdroje zvuku). To dělaní živočichové tak že jejích ušní boltce jsou buď pohyblivé (kůň, pes) nebo divně tvarované (člověk) a tím mají výrazně jinou frekvenční charakterisitiku pokud jde zvuk shora nebo zdola.

Jak je zvukový procesing v mozuku dokonalý nás přesvědší nejenom magoři známí pod krycím jménem "Audiofilové" kteří slyší i to jestli je elektrika pro jejich "gramofóón" z jaderné nebo uhelné elektrárny, ale hlavně to, že přes největší snahu se nedaří výpočtem syntetizovat zvuky přirozených hudebních nástrojů, a že i ty nejlepší "audiofilské" hi-fi soustavy mají přece jenom zvuk, který i já - hlušec - odliším od živé kapely.

V příštím díle probereme podrobně analýzu smyslu slov a generování řeči, a protože jsme probrali vše, co je z hlediska robotiků zajímavé tak patrně přespříští díl bude závěrečný a poslední.

Zatím jsme to explicitně nezmíníli, ale v rámci dokonalé stranové symetrie našeho "vnějšího těla" (v hrudníku a břichu to zas tak symetrické není) máme i dvě dokonale symetrické mozkové polokoule. V rámci křížení nervových drah ovládá levá polovina mozku pravou polovinu těla a naopak. Přesto je zjevné že jedna z mozkových polokoulí je tzv. "dominantní" to jest položíme-li před člověka předmět - sáhne na něj většinou vždy toutéž rukou - většinou pravou, neboť jsme většinou praváci, někteří však sáhnou levou, protože menšinu populace tvoří leváci.

Nerad bych zabředával do oblasti "blátivého myšlení" a ezoteriky, která často pracuje se "zablokovanou" nedominantní mozkovou hemisférou, kterou často "odblokovává" aby zvýšila náš "potencál kreativity" a jiné blbosti....

Realita je bohužel mnohem prozaičtější - Gepard vidí stereoskopicky jako my a když uvidí kořist vyrazí za ní - kdyby obě poloviny jeho mozku byly zcela ekvivalentní - patrně by vykročil levými i pravými končetinami zároveň a patrně by upadl a patrně by neulovil a patrně by zemřel hladem a z Darwinistického hlediska by nepředal geny dále ...

Takže jak jsme u motoriky probírali problém převodu paralelního plánování pohybu na jeho sériové provedení - vrcholem této "serializace" je otázka zda vykročit (uchopit) levou nebo vykročit (uchopit) pravou. Aby to zvíře (člověk) nemusel řešit pokaždé - má prostě mozek mírně asymetrický (v oblasti motoriky) tudíž dominantní hemisféra plánuje pohyby jako první, tudíž nároky na její datový procesing jsou (nepatrně) vyšší tudíž se nakonec stala sídlem analytické části našeho já ...

Že to s asymetrií mozku není nijak divoké je zřejmé i z toho, že největším svazkem nerových vláken v mozku ( půl miliardy axonů ! ) je Corpus Callosum - nervový svazek , který spojuje vzájemně si odpovídající části obou hemisfér. Díky tomu spolu hemisféry intenzivně "mluví" a díky tomu jsme navenek jedna osoba nikoliv dvě "levá" a "pravá".

Jako obvykle más o funkcí Corpus callosum nejlépe poučí jeho porucha - u těžkých epileptiků se občas musí rozříznout, nebo u některých mrtvic je poškozeno ischemií a výsledkem je "split brain syndrom" - syndrom rozděleného mozku - člověk navenek jedná úplně normálně dokud mu nepředložíme něco jako následující obrázek

A pak mu nedáme napsat koho vidí - takový člověk napíše levou rukou "žena" a pravou rukou "muž". Mimochodem si zkuste zakrýt vždy polovinu obrázku papírem, abyste mohli vychutnat dokonalost iluze a nepatrně čichli k tomu jaké to je mít "split brain".

Tedy shrnuji - motorická část CNS má vždy dominantní a nedominantí polovinu, senzorická část může bez potíží pracovat paraleleně, proto takto striktkní rozdělní nemá.

Příště budeme probírat sluch a řeč - tam je to krásně vidět.

Jako obvykle mě napadlo, že minule jsem neprobral všechno. U člověka totiž pohyby ovládané vůlí natolik dominují, že zdánlivě žádné jiné ani nejsou. Proto dneska probereme pohyby, které vůlí neřídíme.

Ty se v základu dělí na dvě složky - pohyby hladkého svalstva a pohyby řízené extrapyramidovým systémem.

Pohyby hladkého svalsva - jak jistě tušite člověk a auto mají společné to, že pod lesklou kapotou je spousta smradlavých trubek. Od jícnu po konečník játra, ledviny, vejcovody , dělohou a penisem konče. Tyto tělesné funkce jsou dědictví po našich primitivních předcích a jsou řízeny z oblastí mozku nepřístupných našemu vědomí. Nepřístupnost jde tak daleko, že například řitní svěrač, nebo uzávěr močového měchýře jsou ve skutečnosti vždy dva svaly těsně k sobě přirostlé - hladký sval, který se pohybuje pomalu ale zato se nikdy neunaví (srdce je taky hladký sval), který drži stolici dlouhodobě a automaticky, abysme na to "nemuseli myslet" a pak příčně pruhovaný sval, kterým si stolici (moč) můžeme vůlí přidržet "když je zle". Tato složka motoriky je celkem pochopitelná i programátorům, kteří na ni mohou nahlížet jako na "služby operačního systému".

Pohyby příčně pruhovaného svalstva řízené extrapyramidovým systémem.

Abyste rozuměli o čem bude řeč MUSÍTE mít přečtený tento článek o extrapyramidovém systému. Máte ? Takže, co jsme probírali minule bylo volní řízení pohybu příčně pruhovaného (kosterního svalstva). Ten řídí motorická mozková kůra přes Pyramidový systém. Jak jste se dočetli ostatní funkce jako je řízení postoje, klidové polohy končetin, nebo svalového napětí řeší exrapyramidový systém, který je s pyramidovým systémem natolik spjat, že si jeho činnost ani neuvědomujeme.

Nejvyšší stupeň činnosti extrapyramidového systému je tzv orientační reflex - ten je řízen mezimozku a máme jej po dinosaurech - pokud uvidíme (uslyšíme) prudký pohyb kolem automaticky k němu stočíme hlavu a očí. Že se nejedná o volní záležitost ví každý kdo v pubertě hrál "hru na facku" někdo vám naznačil že vás praští a centimetr před obličejem zarazil - i přesto jste sebou škubli a to i po dvacáté, přestože jste sami sebe přesvědčovali, že facku nedostanete .....

Poněkud primitivnější jsou základní obranné reflexy flekčního typu - sáhneme na rozžhavenou plotnu, kopne nás proud a ucukneme - flekční, proto že lidské tělo je tak chytě postaveno, že svaly ohýbající končetiny - flexory svojí kontrakcí tuto funkci automaticky zajistí. Přizpůsobení hardwaru úloze je vidět i na svalech - flexory, které musí bý rychlé ale nemusí být tak silné a vytrvalé jsou poněkud jiného typu než svaly- Extenzory, které drží končetina a tělo v natažené (vzpřímené) pozici proti působeni gravitace, které jsou pomalejší ale zato silnější a jen tak se neunaví. Mimochodem přenechat základní obrannou motoriku reflexům bez plánování mozkem - není špatná idea ani z hlediska blbuvzdornosti robotů.

Poslení a nejprimitivnější reflex, který můžete pozorovat aniž byste museli být neurolog - klonické záškuby.

Pokud jste mladí znáte to sami, pokud jste staří půjčte si dítě (vnouče) a pozorujte jej při usínání. Svalové napětí klesá a klesá a klesá ... až extrapyramidový systém v míše usoudí, že klesl až příliš a svaly mírně "zatne" což se pozitivní zpětnou vazbou šíří po celém těle a projeví se jako prudký záškub, který někdy usínajícího i lehce probudí - brr to jsem se lekl asi se mi něco zdálo - otočí se a už se správným svalovým napětím spí dále. Toto je reflex vzinakjící v míše, do jehož základů mozek prakticky nezasahuje a vůle už vůbec ne.

Lidská motorika je mimořádně zajímavá, skoro bych doporučil nějakou učebnici neurologie, protože poruchy pohyblivosti jsou spolu s poruchami citlivosti nejvíce obtěžující a tudíž jsou jádrem zájmu neurologů.

Tak co jak dopadla domácí úloha z minula? Vykašlali jste se na ni ? Pche - házím perly - geekům.

Pokud se týče ovládání periferií je na tom člověk mnohem hůře než i tej nejubožejčí počítač. Na jakýkoliv podnět má k dipozici pouze dvě reakce - produkci nějakého seretu žlázami, nebo svalový pohyb.

Jestli nevěříte - zde je malá demonstrace

Jasné ?

Takže dnes je na pořadu dne řízení motoriky. V robotech má řízení ophybu minimálně dvě vrstvy - Vysokoúroňové plánování trasy a nízkoúrovňové řízení motorů. O Lidské motorice na nízké úrovni jsem psal zde a zde, takže mě nenuťe to přepisovat a nastudujte sami. Dnes se tedy budeme zabývat analogií robotického plánování trasy - tedy řízení pohybu na vysoké úrovni.

Nerad, ale musím opět sem dát stejný obrázek mozku. Když jsme probírali zrakovou oblast vysvětloval jsem, že zraková informace jde v kůže od primární zrakové kůry k asociačním obastem tedy od týlu (hnědá oblast) vpřed.

Zcela analogicky jde procesing motorických povelú od čelního laloku vzad. Jak už jem psal minule "MY" -jako naše vědomí sídlíme ve fialové prefrontální kůře na obrázku popsané jako "decision planing judgement" tam vznikají myšlenky typu "jdu nakoupit" a tam taky vznikají podrobné "dekompozice" těhto akcí jako - musím si vzít kalhoty z čehož vyplyne musím strčit nohu do nohavice. Těmto procesům se říká ideatorní složka pohybu, protože se pohybujeme ve světě ideí - myšlenek a představ pohybu, který provedeme.

Pak následuje zelená "Motorická asociační oblast" kde bazální úlohy z ideatorní oblasti dostávají konkrétní obrysy - takže musím si zapnout knoflík se transformuje na - "zvednu ruku dokud jej nenahmatám" a pak "táhnu palcem" atd ... toto je tzv Ideo-motorická složka pohybu.

Nakonec jdou příkazy do Sulcus praecentralis - červený mozkový závit - tam sídlí pyramidové buňky, které jsou ty, které vysílají své axony do míchy - takže tam už se pohybujeme na opravdu bazální úrovni typu - jako když Bedřich pošle robbusem povel - "tři otáčky vpravo" Tomu se říká "primární motorická kůra".

Chtěli byste podrobnější popis - neznáme - protože nemáme výzkumnou metodiku jak tuhle oblast detailně uchopit. Pícháním mikroelektrod do mozku získáme přehled o pár neuronech v sousedství jehly, a magnetickou rezonancí zase vidíme příliš veká centra. Nicméně i přesto lze na základě analogie se zrakem usoudit

S tím souvísí i choroby - ideatorní apraxie - pacient neví jak uchopit lžíci. Idemotorická apraxie - pacient se snaží nabrat polévku opačným koncem lžíce atd....

Nezanedbatelnou složkou motoriky jsou pohybové stereotypy - každý pohyb, který vykonáváme s jistotou je pohybový stereotyp - naše databáze stereotypů je tak velká, až působí dojmem libovolného volního pohybu, kdo si ale zkusil čist zuby, nebo se podepsat levou rukou ví, že to tak snadné není. Schválně si zkuste čistit zuby levačkou půl roku a po půl roce uvidíte, že pohybový stereotyp vznikl a půjde vám to mnohem lépe.

Druhý problém motoriky, který se týká zvířat od velikosti psa výše je zpoždění - signál se nervy šíří rychlostí kolem 5 m/sec - to jsou 3 sekundy z mozku do ocasu velryby. S tím souvisí databáze pohybových stereotypů, které se u velkých zvířat prostě spouštějí s předstihem. I u lidí vidíte malé mrštné a velké spíše neohrabané - až na výjimky lidi s mimořádně vyspělou motorikou, kteří umějí s konečnou rychlostí CNS pracovat.

Pro dnešek zadám domácí úkol

Samozřejmě, že vyžaduju popis výsleku pokusu č. 2 do komentáře, abych viděl, že se bando neflákáte.

Když jsem se aktivně zajímal o neurovědy šla literaturou diskuze zda mozek funguje sériově, nebo paralelně. Z eventuelních výsledků této diskuze mělo vyplynout jaká je úloha "vědomí" v celém systému datového procesingu v mozku.

Proč ? Vědomí má zcela jasně sériové složky a povrchním pohledem celé vědomí je sériové - vezmi vejce - rozklepní vejce - usmaž vejce ... Tudíž pokud by mozek byl sériový stroj - pak lze soudit, že vědomí je daleko větší částí datového procesingu, než pokud by mozek byl paralelní stroj.

Na druhou stranu - proč se zabývám věcmi, které jsou elementární. Zásadní rozdíl mezi mozkem a počítači je přece v tom, že procesory jsou z definice sériové protože jejich činnost běží takto

MOV CX, 1024

ADD CX, AX

REP STOSW

Zatímco činnost mozku je jasně paralelní, protže všechny neurony "pálí" své signály naráz.

Takže OK - budeme píchat elektrody do mozku a kamkoliv píchneme bude alespoň "nějaká aktivita".

Pak vezmeme procesor odbrousíme horní kryt a budeme do něj pod mikroskopem píchat elektrodou. A světe div se, díky superskalárnímu superpipelinovanému zpracování dat bude po celém čipu taky všude "nejaká aktivita".

Pokud by mozek byl sériový stroj - musela by hloubka "instrukční pipeline" být obrovská, protože mezi rychlostí práce jednoho neuronu a rychlostí celého mozku je neskutečný nepoměr. Stroj s obrovským množstvím funkčních subjednotek se podobá paralelnímu počítači, přestože může být sériový. Takový stroj by i přes obrovský hrubý výkon měl dosti velké latence - než intrukce projde dlouhou frontou (jako mozek).

Pokud jsem vás rozkolísal - tak dnešní názor na mozek a vědomí je - technickou hantýrkou takový - mozek je obrovský paralelní stroj a vědomí je něco jako GUI tohoto stroje. Tedy podíl vědomí na celkovém datovém procesingu je malinkatý. "MY" - jako složka našeho mozku vědomá si sebe - běžíme ve vlastním mozku jenom jako podružný proces a vědomí jako GUI máme k dipozici jako pracovní plochu na terminálu obrovské serverové farmy.

Prakticky jenom kousíček mozku v čelním laloku dva prsty nad obočím jsme "MY" - ostatní je zpracování dat z čidel a z dalších částí mozku a těla, které běží "na pozadí" a jsou našemu vědomí nedostupné. Podle výzkumů na Magnetické rezonanci jde tahle nedostupnost tak daleko, že dokonce při řešení příkladů, nebo když nás něco napadne, tak řešení vymyslí paralelní struktury mozku stovky milisekund před tím, než je nabídnou vědomí a my pak kroutíme hlavou - "prostě mě to napadlo když jsem tlačil na záchodě !!!"

Takže na jedné straně máme velký paralelní počítač a na druhé straně máme "sériové periferie" - ruce i nohy máme jenom dvě a někdo musí stanovit s konečnou platností jestli paže půjde nahoru nebo dolů protože oběma směry najednou to nejde.

Takže i mozek má struktury pro "serializaci" paralelních procesů a dokonce existuje choroba jménem "ideatorní apraxie", kdy tyhle struktury selhávají. To se projevuje tak, že člověk není schopen svoji činnost rozplánovat na jednotlivé pohyby a proto se pohybuje zmatěně, nebo častěji zůstává bezradně stát.

Z výše uvedeného vyplývají dva závěry.

Takže anatomii jsme už probrali dneska se vrhneme na funkci zraku.

Podle posledních poznatků aby oko zvládlo kompresi 1: 140 která je daná poměrem světlocitlivých buněk v oku a vláken co jdou ven sítnice dělá dosti složitý procesing viděného obrazu. Více méně do mozku jdou informace o hranách v obraze a o barevných skvrnách. Tedy už sítnice zvládá to, s čím mají robotici problémy - převádí rastrový obrázek na vektorový.

Zraková mozková kůra je v nejstarší části mozkové kůry úplně vzadu na týle a dělí se na tři soustředné oblasti - primární, sekundární a terciární zrakovou oblast. pokusím se vysvětlit

- z oka jdou informace ve stylu hnědá skvrna průměr 100 pixelů souřadnice XY,

- primární zraková kůra to vyhodnocuje jako - hnědé kolečko s dvěma puntíky

- sekundární zraková kůra z toho udělá - proboha to je obličej

- terciární zraková kůra - no né to je Karel

A pak jsou asociační oblasti které už jsou vpředu v čelním laloku

- frontální kůra - zpracovává asociace - dluží mi 500 korun .....

- tzv. prefrontální kůra - dává informacím emoční náboj - jdu mu rozbít hubu

- motorická kůra - vymrštít ruku rychlost 5 m/ sec

- senzorická kůra - bolest v obličejí

- frontální kůra - auvajs on mi to vrátil

- prefrontální kůra - hajzl .....

A tak dále jestli jste viděli film Woodyho Allena Co se děje při souloži - víte jak to v mozku chodí. Kdybychom znali detaily toho procesu už dávno bychom psali software. Jak už jsem se zmiňoval mozek je opravdu MASIVNĚ paralelní stroj - tedy pro každý myslitelný geometrický tvar má v primární kůře skupinu neuronů které se aktivují a v sekundární kůře má pro každou myslitelnou kombinaci tvarů oblast která se aktivuje pokud je daná věc v zorném poli. Takových věcí (předmětů) které mají ve zrakové kůře své neurony je asi 10 000 a tyhle neurony se trénují v dětství.

Naše vidění tedy přistupuje k analýze obrazu s velmi silnou a priori informací co má vidět. Předměty a jevy pro které nemáme vytrénovanou zrakovou kůru je pro nás těžké vidět. Příklad - máme stovky popisů slunečních zatmění ale až do 18 století si nikdo nevšiml sluneční korony. I ostatní objevy - nejprve to neviděl nikdo, pak jeden, pak najednou všichni.

Někdy nevíme co máme vidět - viz optické iluze typu jestli vidíme mladou nebo starou ženu, nebo jestli schody jdou nahoru nebo dolů. V každém případě zraku a dalšímu zpracování informací se věnuje celý týlní lalok a to je skoro čtvrtina mozkové kůry - vzhledem k tomu že i mozek řeší vidění "hrubou silou" viz 10 000 rozeznatelných předmětů možná i my vyřešíme strojové vidění hrubou silou, jestli výpočetní výkon k tomu potřebný máme při dnešní techologii k dispozici - nevím ale pochybuju ....

Na samotný závěr ještě otázka jak vidí svět zvířata - my máme mozkovou kůru pro rozlišení 10 000 přednětů - minimalistická verze živočicha řídícího se zrakem jsou 3 předměty - opačné pohlaví, potrava a nepřítel - vizuální svět takového zvířete je ale značně odlišný od našeho - místo vizuální představy okolni reality spíše značky ve stylu hry Pac-Man. Mimochodem i u lidí existuje něco podobného - tupozrakost, ktrerá vzniká tak, že díky poškození zraku v nejútlejším dětství se zraková mozková kůra řádně nerozvine. Takový člověk reflexivně uhne prudkému pohybu, protože to řídí mezimozek (po dinosaurech) ale viděné popsat nedokáže. Mimochodem poruchy mozkové kůry u lidí jsou ohromně zajímavé pro neurovědce, nikoliv však pro doktory, protože díky obrovské rezervě mozkové kůry nejsou většinou život ohrožující....

Když jsem blbnul s jednopixelovými kamerami v IR oblasti tak mi Tomáš Krajník říkal, jestli náhodou hardware pro jednopixelovou kameru není složitejší než koupit webkameru v Lídlu. No dneska díky Webovým kamerám si robotici myslí, že vidění je zlaté tele robotiky takže začínáme zrakem.

Oko kupodivu není nějaký orgán, který se jen tak vzal, ale je to jediný kus mozku, který je vidět zvenku (i bez použítí nože a násilí) oko se vyvíji tak ze u embrya zrakové nervy vrazí ze spodiny mozku a opřou se o místa na kůži pak se prohnou do tvaru poháru na víno v místě hrdla poháru z kožní tkáně vyroste čočka.

Nevím do jaké míry mám opakovat prvouku ale v oku je sítnice která obsahuje 140 miliónů světlocitlivých buněk. převážná většina jsou citlivější ale černobílé tyčinky. Menšinu tvoří barvocitlivé čípky, které jsou trojího druhu citlivé na červenou, zelenou a modou část světelného spektra. O barevném vidění jsem už jednou psal tak si to prosím přečtěte ať to nemusím opakovat. Celá sítnice i ostatní části mozku zabývající se zrakem mají své somatotopické uspořádání - tedy dvě sousedící části sítnice mají sobě odpovídající - sousedící - části mozkové kůry, což nám jednou asi usnadní výrobu zrakových implantátů.

Na konstrukci lidské sítnice je pozoruhodné, že ačkoliv má 140 miliónů světlocitlivých buněk tak ven z oka jde zrakovým nervem jenom asi milión nervových vláken. sítnice tedy musí zajisit kompresi dat v poměru 1: 140

Další věc zajímavá pro techniky je že sítnice je tvořena vrstvou světlocitlivýc buněk, pak vrstvou neuronů, které obraz zpracovávají a pak vrstvou neuronů, které vysílají axony do mozku. Podivuhodné je že světlo musí projít všemi neurony, a tyčinky a čípky jsou úplně vespod - tedy stejné uspořádání vrstev, jako u starších CMOS čipů digitálních foťáků.

Za šera se pohybující zvířata mají ještě tapetum lucidum - odraznou vrstvu, která světlo prošlé sítnící vrací zpět - to zvyšuje citlivost, ale zhoršuje ostrost vidění, proto lidi mají tapetum jenom naznačeno (viz červené oči na fotkách ) psi a kočky mají daleko silnější modrozelený odraz - "svítící oči".

Poslední zajímavost - člověk má zorné pole skoro 180 stupňů jako objektiv "rybí oko" zraková ostrost na periferii je ale nepatrná zcela dokonale ostře vidíme jenom v místě žluté skrvny (asi 3 úhlové stupně) to odpovídá kapacitě mozku "procesovat" data z oka.

I u oka platí obecné pravidlo, že levá polovina mozku reaguje na zrakové podněty z pravé poloviny prostoru. Aby to fungovalo je zrakový nerv veden do mozku podivuhodným způsobem Hluboko za kořenem nosu je tzv chiasma opticum - místo překřížení zrakových nervů - část z vnitřní oblasti sítnice (v blízkosti nosu) se kříží a jde na druhou stranu druhá část jde přímo - proč tomu tak je ukazuje obrázek, který je snad pochopitelný.

Poslední věc než pro dnešek skončíme a přítě se budeme zabývat zrakovou kůrou - je pozoruhodné, že zrak je daleko citlivější na změnu a na pohyb než na ustálený signál (viz cyklistické blikačky). Tomáš Krajník by nám lehce vysvětlil proč - vidění změny je vývojové straší a na datový procesing méně náročný způsob - současný snímek z kamery odečtete od minulého - tím vám 90% dat vypadne a řešíte jenom rozdíl. Savci vyspělejší než hlodavci + někteří ptáci jsou jediní tvorové, kteží vidí i stojící objekty - žába zdechne hladem v teráriu plném mrtvých much, protože nehybnou mouchu nevídí - příště proberem proč tomu tak je.

Předposlední poznámka k vidění - dynamický rozsah oka je neuvěřitelný - jas temné krajiny osvětlené hvězdami bez měsíce je k jasu slunečního kotouče v poměru 1 : 10^27. Díky duhovce, změnám koncentrací světlocitlivých pigmentů v sítnici a změnám způsobu zpracování oko tento rozsah zvládne. Celé věci pomáhá i malé centrální zrakové pole, protože ač si to neuvědomujeme nevidíme skoro žádný předmět v celku ale postupně jej "ohmatáváme" zrakem a přitom se naše oko adaptuje na osvětlení viděného místa. Kam se hrabou fotoaparáty mají dynamický rozsah tak maximálně 1 : 10^8 - čas 1 : 2000 clona 1 : 500 citlivost 1 : 100 znásobeno 1: 100 miliónů.

Poslední poznámka - všechny vnímané informace mají velký dynamický rozsah, proto je pravidlem, že živí tvorové skoro vše vnímají v logaritmické škále. Proto když jsem psal o trávoměrech a ostatních robotických čidlech byly logaritmické zesilovače mým problémem č. 1 - aniž by si to robotici uvědomovali - dokud se roboti nevyrovnají s velkým dynamickým rozsahem vstupních dat - problémy s čidly budou na denním pořádku - týmy z Robotur jistě ví o čem mluvím - kamera nakalibrovaná na zataženo a minutu před startem vyleze sluníčko ....