Nekorektní blog Petra Kubáče na Blog.cz

To co se nám u člověka jeví jako celý mozek je jenom jeho nejnovější část alias mozková kůra. Tu mají jenom savci. I mozková kůra je vývojově různě stará a mozková kůra, která je vzadu na zátylku a řídí vidění je nejstarší (všichni savci vidí) zatímco mozková kůra na čele (řídí myšlení a emoce) je (pochopitelně) nejmladší.

Celá mozková kůra má naprosto stejné složení - skládá se ze šedé hmoty na povrchu - což jsou těla neuronů a dendrity. A z bílé hmoty, která je uvnítř což jsou axony obalené bílými fosfolipidovými membránami Schwanových buněk. Šedá hmota se skládá ze 6 vrstev neuronů, a je podivuhodné že ačkoliv různé části kůry pracují různým způsobem - zrak sluch, pohyb hmat, je mozková kůra všude stejná. Asi to "přizpůsobení hardwaru úloze" pro které jsem tak horoval má přece jenom své meze, nebo možná je mozková kůra tak dobře navržená, že jedna struktura obslouží jakákoliv data.

Řekl jsem bílá hmota a fosfolipidy - nemůžu se ubránit nenapsat malou kuriozitku - jako každá jiná živá tkáň jsou 2/3 mozku voda a zbývající "suchá" 1/3 jsou z 90% fosfolipidy alias "ušlechtilými tuky" tvořené membrány -tedy smíchámím kila vody 450 gramů sádla a 50 gramů bílkovin vznikne mozek - jak jednoduché (by to bylo ;-)) ).

Už jsem poznamenal, že různé oblasti kůry řeší různé úlohy. Zde máte hrubé schema. jenom bych poznamenal, že na něm nejsou označeny dvě nejdůležitější oblasti - červený "gyrus praecentralis" je nejzadnější část čelního laloku - která řídí pohyb celého těla. Modrý "gyrus postcetralis" řídí hmat celého těla.

Je důležité poznamenat, že celá nervová soustava má přísnou organizaci - struktury řídící pohyb jsou všude v těle více vpředu (blíže k břichu) strutury analyzující vstupující informace jsou blíže k zádům. Navíc jako pozůstatek po nejprimitivnějších živočiších typu ploštěnek - levá polovina mozku a míchy řídí pravou polovinu člověka a naopak - všechna nervová vlákna "dalekého dosahu" se tedy poněkud nepochopitelně kříží přes střední rovinu. Hlubší smysl je patrně v omezené rychlosti nervového přenosu - mozek vznikl v blízkosti úst protože tam je potřebný nejvetší "datový tok" a levá polovina nervů řídí pravou plovinu těla patrně proto že nejjednodušší způsob jak červ unikne útoku zprava je zatnout svaly vlevo a odtáhnout se od dráždícího podnětu .....

Zejména ta blízkost mozku u tlamy je tak obecná věc, že si myslím, že i ufoni budou mít třeba tři oči, nebo jedno, nebo budou vidět radarem, ale chřtán a mozek budou mít ve stejné části těla.

Aby to ani tak nebylo tak jednoduché tak celá nervová soustava má tzv somatotopické uspořádání. To jest pokud dvě části našeho těla spolu sousedí i jejich nervové řízení v mozku spolu sousedí. Na obrázku máte rozkreslené příklady z motorické a senzorické kůry (červený a modrý závit na přechozím obrázku). Všimněte si že somatotopické uspořádání neznamená, že velikost dané části těla hraje nějakou roli - každé části těla je věnována tak velá část mozku jak velký datový procesing daná část potřebuje. Taky si všimněte že z prstu je necitlivější ukazovák ale nevíce tkáně je věnováno řízení pohybu palce - odpovídá realitě ? Určitě máte stejnou zkušenost.

Mimochodem Hans Moravec a další lidé z výzkumu ma pomezí lidského a strojového myšlení vyslovili hypotézu, patrně pravdivou, že výpočetní výkon na jednotku plochy mozkové kůry je pro celý mozek stejný - vzhledem k tomu, že struktura kůry je všude stejná - není důvod tomu nevěřit.

Už zase padám na hubu, takže pro dnešek končím a příště už konečně začneme probírat vidění.

Všechny články o mozku jsem zatím psal více méně z paměti, nicméně jistý systém v tom musí být proto se musím omluvit, že dneska se ke slibovanému zrakovému systému patrně ještě nedostaneme, Protože jak jsme nervovou soustavu probrali na molekulární úrovni musíme ji probrat i na makroskopické úrovni nejprve poněkud obecně.

Tedy - mozek se vyvíjí už 500 miliónů let od tzv kabmrijské exploze - kdy konečně po 3.5 miliardách let jednobuněčné existence vznikli mnohobuněční živočichové a hned vznikli téměř v moderní podobě - to znamená - čtyřnohé tělesné schema alá pejsek, šestinohé tělesné schema alá včelka, osminohé tělesné schema alá pavouk, mnohonohé tělesné schena alá stonožky a larvy hmyzu atd. - v nepatrně krátké době vznikla zvířata, která pak už jenom "dozrála" do dnešní podoby.

Příroda nidky neopouští osvědčený princip - netrpí tedy "second system efektem", na druhou stranu ale jsou všechna zvířata podivuhodným propletenecem různě starých řešení která původně sloužila k úplně něčemu jinému. Stejně tak náš mozek je složen ze součástí, které se dají vystopovat až k prvním členovcům. Viz obrázek a jednoduchý barevný kód jdeme zespoda nahoru - žlutá mozek žížal , růžová ryby, azurová obojživelníci, khaki - plazi, červenohnědá savci .... Staré oblasti mozku si ponechaly jen ty nejdůležitější funkce, které se nedají svěřit novějším částem mozku - tedy žlutá prodloužená mícha řídí dýchání a činnost srdce a cév. Modrá - Most přepíná signály z míchy a reguluje dýchání, atd, atd.

Tecnickou analogií vzato - si myslím, že robotici nepovažují za hlavní část svého robota vestavěnou nabíječku, takže částmi mozku, které jsou starší než nejmladší mozková kůra se budeme zabývat jenom okrajově, přestože pro doktory tam tkví převaha jejich práce. Mozková kůra má totiž obrovskou redundanci a proto ani masivní poškození nemá takové účinky jako poškození kousku velikosti hrášku v prodloužené míše ....

Probral bych ještě nějaké věci, ale tím by tento blog příliš narostl, takže bohužel zase až příště.

Mám nutkání používat svoji oblíbenou zkratku CNS - tedy CNS je central nervous system neboli česky centrální nervový systém.

Minule jsme se zabývali otázkou jak signály vyslané jedněmi neurony spolu interferují na membránnách jiných neuronů a jak složítá matematika to je, dokonce jsem spekuloval i o vlastnostech mozku jako kvantového počítače.

V každém případě struktura CNS není náhodná už jenom tvary těl neuronů naznačují něco o matematické funkci, kterou neurony realizují - tedy v sítnici jsou bipolární neurony - všechny dendrity končí na těle neuronu na opačném konci než je axon - je jasné že tenhle neuron bude akční potenciály filtrovat na membráně těla. Lidskou motoriku řídí pyramidové buňky - opravdu mají tvar kužele (v mikroskopickém řezu jako pyramida) na povrchu kužele končí všechny dendrity a axon vychází s prostředka podstavy. V mozečku jsou podobně utvářené, ale inhibiční neurony zvané Purkyňovy buňky, které jsou však kulaté - všechno to má jakýsi smysl, který jsme zatím matematicky neuchopili a proto mu nerozumíme.

Místo toho píšeme práce na téma jak vylepšit BackPropagation - algoritmus učení umělých neuronových sítí, které s CNS nemá pranic společného - je to dobře nebo špatně ?

Abych nerýpal jenom do inženýrů - doktoři v oblasti neurověd si zamilovali zobrazování mozku na magnetické rezonanci - pacientovi dáme úlohu a vidíme, které části mozku pracují. Je to jako když vlezeme do telefonní ústředny a podle blikotání LEDek na svazcích telefonních linek bychom chteli určit o čem je řeč. Prostě nejvyšší čas aby matematici a neurofyziologové to vzali za stejný konec.

Nerozhodnost v oblasti udílení rad je už trapná - možná nebudu radit nikomu, ale těště se na příště - začneme kanónem na vrabce a probereme zrakový systém.

Minule jsme probrali jak vzniká akční potenciál, který se šíří po axonech. Staří profesoři neznali pojem digitální signál, tak nám tloukli do hlavy, že po axonech se signál šíří na principu vše nebo nic. Tvar akčního potenciálu na osciloskopu je uniformně stejný a nenese sám o sobě žádnou informaci. Informaci nese frekvence akčních poteniálů - neurony tedy mezi sebou komunikují něčím jako PWM , frekvenční modulace puslně polohová modulace - jak to vezmete. většina axonů se na konci větví a kočí tzv. synapsemi - což je základ datového procesingu v mozku.

Kromě akčního potenciálu, který běhá po membráně axonu jdou axonem jako trubkou drobné váčky které obsahují neurotransmiter. Každý neuron si syntezuje svůj neurotransmiter, které z chemického i počítačového hlediska patří do dvou skupin

1. Stimulační neurotransmitery - Acetylcholin, adrenalin, noradrenalin, dopamin, serotonin - jsou molekuly, které ostatní neurony dráždí.

2. Inhibiční neurotransmitery - GABA (kyselina gama-amino máselná) a glycin - podráždění neuronů snižují.

Každý neuron produkuje jen jeden typ neurotransmiteru a podle toho je celý neuron buď stimulační, nebo inhibiční.

Jak to tedy funguje? Po axonu přijede akční potenciál, který je podnětem aby se váčky s neurotransmiterem připojily k membráně neuronu a tím se jejich obsah vylije do synaptické štěrbiny. Na druhé straně synaptické štěrbiny jsou receptory pro neurotransmiter, které způsobí otevření sodíkových kanálů. Pokud se jich otevře dosti a dojde k překonání tzv membránového prahu vznikne na neuronu akční potenciál, který se z dendritů šíří na tělo neuronu a na axon a tím na další neurony.

Neurotransmitery inhibičních neuronů místo sodíkových otevírají chloridové kanály a tím membránové napětí neuronu snižují a jeho aktivitu tlumí. Většina léků - oblbováků typu prášků na spaní benzodiazepinů, heroinu, alkoholu atd... funguje na principu zvyšování účinku tlumivých neurotransimetrů.

Takhle se to vysvětluje medikům, kteří jsou matematicky imbecilní, a odtud to jako danou pravdu nastudovali programátoři, a proto používají špatný model neuronu. Vtip je v tom, že takhle jednoduché to není - v synapsi se většinou neuvolní tolik neurotransmiteru aby se postsynaptikcký neuron jedním akčním potenciálem vydráždil k vlastnímu akčnímu potenciálu - podprahovým drážděním vznikají vlny elektrické aktivity - stimulační i inhibiční, které se šíří po povrchu dendritu v kruzích a jejích amplituda postupně klesá. ilustrativní příklad - předsavte si membránu neuronu rozvinutou do plochy jako hladinu vody na které interferují vlny. Na každém neuronu je kolem 10 000 synapsí ostatních neuronů. Pokud interferencí 10 000 signálů vznikne nadprahové dráždění, které doputuje až k místu, kde z těla neuronu vystupuje axon - neuron vyšle po axonu puls.

Tedy ne násobení signálu vahou, součet všech signálů a jejich prohnání logit-log funkcí jak to dělají programátoři - ale okamžitá interference 10 000 signálů na topologickém povrchu rozeklaného stromu výběžků - škoda, že to nečte Jirka Iša - ten by to vysvětlil matematicky a při jeho genialitě by nám ostatním hrablo .....

Takže shrnují - digitální signál jdoucí po axonu se převádí na analogové šíření signálu po membráně neuronu, které se pak mění opět v digitální signál vypáleného akčního poteniálu po axonu dalšího neuronu.

Je otázka zda každý neuron vlastně neprodukuje tolik matematiky jako samostaný malý počítač a fantasti dokonce uvažují zda při dráždění těch všech molekul se tam neprojevují kvantové jevy a zda neurony nemají (alespoň částečně) vlastnosti kvantových počítačů - to by byl průser - to by nám matička příroda fakt utekla ....

Na samotný závěr jenom poznámka - použítý nerotransmiter se musí ze synaptické štěrbiny co nejrychleji odstranit a to buď recyklací zpětnou absorbcí do axonu, nebo rozložením enzymy. Bojové nervové plyny a spreje na hmyz jsou chemicky blízce příbuzné. Způsobují smrtelné křeče lidem a hmyzu, protože blokují enzym acetylcholin- esterázu, která v nervové soustavě rozkládá v synapsích acetylcholin, který je nečastějším neurotrasmiterem. Tak proboha vytáhněte ten "voňavý" Raid ze zásuvky. Mimochodem křečový jed - strychnin - známý z Maryši zase pro změnu blokuje glycinové tlumící synapse.

Jsem zcela vyčerpán, doufám že vy ne, a opravdu mě ani ve 4. dílu nenapadá komu budeme radit.

Máme - li se někam dostat je nezbytné probrat základy. Takže dneska to bude nuda, která je bohužel nutná.

Nervová soustava je jako naše vláda - látky z krve do tkání volně procházejí difuzí. Až na výjimku a tou je mozek, který je od krve oddělen tzv. hematoencefalickou bariérou. Ta je pro molekuly, které mají elektrický moment (jsou tzv. polární) nebo mají molární hmotnost nad 500 g/mol zcela nepropustná, Vše co se dostane do mozku je aktivně řízeno buňkami, které obklopují mozkové cévy. Tělo tedy může značně trpět aniž by si mozek něco poznal. Navíc je zde jistá asymetrie - mozek tvoří 2% hmotnosti organismu, spotřebuje však 25% klidového energetického příkonu.

Nervová soustava je samozřejmě tvořena Neurony, ale ty tvoří jen menšinu všech buněk. Musel bych hodně googlovat ale střelím od boku 20% buněk v mozku jsou neurony. Ostatní buňky jsou tzv. glie - pomocné buňky, které se o neurony starají. Bohatství naší mysli vziká tím, že neurony spolu komunikují. K tomu jsou anatomicky uzpůsobeny tak že mají množství výběžků zvaných dendrity, kterými signály od svých kolegů přivádějí a pak maji JEDINÝ výběžek, který signál odvádí tzv. Axon. Axon se samozřejmě větví a stimuluje více než jeden další neuron. Smysl proč je axon jenom jeden je v tom, aby bylo "stanovisko" každého neuronu jednoznačné, ne aby levá polovina neuronu byla vybuzená a pravá ne.

Pokusím se srozumitelně vysvětlit jak neurony fungují na nejnižší úrovni. Je to svérázná kombinace analogové a digitální komunikace.

Na povrchu neuronu jsou membránové proteiny, tzv. iontové pumpy, které do neuronu ženou draslík a z neuronu ven vyhazují sodík. Přitom membrána neuronu je pro sodík téměř naprosto nepropustná, zatímco pro draslík je propustná volně. Z hlediska elektro chemického tedy buněčná membrána tvoří něco jako separátor v baterii. Protože uvnitř buňky je množsví bílkovin, které fungují jako záporné ionty je draslík v elektrickým nábojem držen uvnitř což se jeví jakoby membrána buňky měla záporné napětí proti okolní vodě ve výši 70-100 mV. Čím je buňka vzrušivější tím má vyšší záporné membránové napětí.

Pokud nějakým podnětem membránu elektricky podráždíte uzavřou se v membráně draslíkové a otevřou sodíkové kanály - sodík vtrhne dovnítř což se elektricky projeví jako tzv depolarizace - elektrické napětí memrány neuronu stoupne někam k + 20 mV. Na kladné napětí reagují draslíkové kanály tím, že se opět otevřou a draslík se vylije - proti směru pronikání sodíku čímž se membránové napětí vrátí zpátky do klidových záporných hodnot - tzv repolarizace. Detaily zde. Membránové kanály mají "refrekterní periodu" tedy pokud se jednou otevřely a zavřely nemohou tak učinit okamžitě znovu, takže membrána je po podráždění chvíli nevzrušivá. To slouží k tomu, že vzruch zvaný "Akční potenciál" se po membráně šíří jedním směrem a to vpřed a nikoliv zpátky (analogie Huygensova-Fresnellova principu z optiky).

Rychlost šíření akčního potenciálu po axonech je o něco méně než 1m/sec - to u velkých zvířat nestačí ( i do ocasu musí dojít signál z mozku ), proto příroda přišla na fintu - buňky glie zvané Schwanovy buňky obtáčejí axon jako izolace drát a opravdu elektricky izolují. Akční potenciál se jako chemický signál - tedy pomalu - šíří jenom v mezerách mezi Schwanovými buňkami pod Schwanovými buňkami se šíří jako elektrický proud - rychlostí světla. Důvod proč schwanovy buňky nejsou delší spočívá v elektrickém odporu tekutin - mezery mezi buňkami sice signál zpomalí ale tím že se v nich vybudí akční potenciál se signál zároveň zesílí a opět správně vytvaruje.Tímto tzv. saltatorickým šířením vzruchu dosahuje rychlosti něco přes 5m/sec a to stačí i pro slony, žirafy a velryby....

Mám pocit, že čtenáři toho mají plné zuby. Takže pokračování příště - probrali jsme digitální část komunikace mezi buňkami - příště probereme analogovou a vysvětlíme si proč současné matematické modely neuronových sítí patrně nepovedou nikam.

Pořád jsem nedošel k názoru komu budu v této sérii radit . Že by gayům - nebude to už příliš a co jim budu radit když jem sám spíše na holky ???

Opět budu citovat sám sebe a větu, kterou jsem chladil známého v prvním ročníku na strojárně VŠB : "Nestavěj robota lepšiho než člověk, nejprv postav robota lepšího než baktérie". Ano je to tak - hluboko pod povrchem toho , proč robotické ženy zatím nejsou nejlepší milenky je to, že příroda nantotechologii používá, zatímco my o nanotechnologii (jen) mluvíme. Každá buňka je samostatný živý tvor jednotka se svým metabolismem, informačními drahami, energetickými rezervami, rozmnožovacím aparátem atd, člověk je pak (ne)dobrovolné sdružení techto živých tvorů .... Takže naši roboti mají motory extra a baterie extra, zazímco žížala (i člověk) mají svalové buňky plné glykogenu a kreatin-fosfátu, který rovnou slouží jako energetický zdroj.

V přirodě jsou věci naprosto fascinující - vlaštovka (v letu) chytne mouchu (v letu) na základě analýzy toho, co vidí čichá a slyší, totéž netopýři a sovy, totéž tučňáci a delfíni ve vodě - přirozený pohyb ve 3D protředí za kořistí, která aktivně uniká, a přesto často neunikne. Pokud bychom chtěli toto napodobit v robotech byly by to gigahertzy a gigabajty za sekundu datových toků, přestože u těchto zvířat je nejvyšší frekvence signálů, se kterými pracují jejich neurony někde v pásmu nad 1 kHz a velikost a energetická spotřeba jejich mozků - nepředstavitelně malá. Největší mozek v přírodě - lidský má trvalý příkon kolem 25W a díky obrovské redundanci se tento příkon příliš nemění s mentální aktivitou, přestože je známo, že pracující neurony mají až 10x větší spotřebu energie než klidové.....

Mozky se tedy skládají z neuronů, které si předávají elektro-chemické signály. Naše věda o umělé inteligenci si už od 60 let hraje s neuronovými sítěmi - tedy s něčím, co technici považují za dostatečně reprezentativní obraz aktivity skutečných nerovových buněk.

Soukromě cítím, že někde bude problém, protože na medicíně jsem pracoval jako "pomvěd" na výzkumu srdečních buněk, což jsou buňky s tou nejjednodušší eletrickou aktivitou. Pouze generují srdeční rytmus, a to všechny v celém srdci (kvůli redundanci). Přesto když se můj bývalý šéf RNDr. Šimurda pokoušel matematicky modelovat elektrickou aktivitu srdečních buněk vycházely mu vzorečky řádově složitější než ty, které používají technici jako model - mnohem složitějších - neuronů.

A pak mezi mozky a počítači je druhý rozdíl, na který taky pořád upozorňuju je to "hardware přizpůsobený úloze" - abychom vůbec mentálně zvládli tvorbu softwaru používáme různé vrstvy abstrakce - Algoritmus v Javě přeložený do bytekodu, pak interpretovaný na procesoru, který emuluje X86 instrukce. na každé úrovni abstrakce musíme dodržovat omezující pravidla. Nic takového v mozku není - jak se zdá podle posledních pozatků tak třeba takový "střední level" vyhodnocování obrazu spočívá v tom, že člověk rozezná asi 10 000 předmětů a pro každý z nich má v mozku malou oblast, která "svoji věc" aktivně hledá v zorném poli. Pokud ji najde vybudí se a začne stimulovat takzvanou "asociační kůru" kde zase smysluplné kombinace věcí mají své malé okrsky, které se aktivují. Takže pokud vidíme krásnou holku, kterou za ruku vleče rusky mluvící potetovaný borec - aktivuje se centrum které říká - pozor radši koukej do země .....

Jestli si myslíte, že obrázek který jsem k tomuto článku přidal je výsměchem inženýrům tak není - je to takzvaný "motorický homunkulus" - tedy lidská postava nakreslena v takových proprcích jak velká část mozkové kůry se zabývá řízením pohybu dané části těla. Jednoduše řečeno - pohyb jazyka řídí větší kus mozku než obě nohy ....

Pořád ještě nevím komu budu udílet rady a ani nevím jak dlouhý článek je ještě neunavující, proto pro dnešek končím.

Nedávno mě zvrhlost zdravotnického systému donutila vzít si 5 dní dovolenou a v obrovském tempu studovat tlusté americké bichle o neurologii a vyšetření mozkomíšního moku abych mohl udělat zkoušku na "Licenci z likovorové cytologie" což je papír, který mě opravňuje vykazovat mikroskopický rozbor lidského mozkomíšního moku zdravotním pojišťovnám.

Ne že bych tahle vyšeření nedělal už léta, ale doposud jsem spadal do kategorie, kterou pojišťovny ńejvíce milují - typu "udělat to musíte, ale účtovat to nesmíte" - v tom je ta zvrhlost.

Při tom jsem si uvědomil, že jsem muž devatera řemesel ( a desáté bídy) a že vlatně léta v oblasti diagnostiky chorob mozku pracuju proti směru, ve kterém pracují pražští profesoři - oni se snaží dostat co největší porci rozhodování o pacientovi do vlastních rukou - Já naopak mám zkušenosti s "nočním zdravotnictvím", na které oni už zapoměli a tak se snažím maximum rozhodování o pacientovi mechanizovat, komputerizovat a nestydím se říci "robotizovat".

Takže opravdu nemá smysl do blogu psal o tom jak mi nefungují prográmky v C, když všem známým z matfyzu fungují. Nicméně jsou mezi mými známými lidi natolik geniální, že by se vyplatilo je násilím poslat na medicínu aby nastudovali jak funguje mozek, protože vybavení těmito informacemi by je pak při ranním kadění na míse určitě napadlo jak posunout umělou inteligenci prudce vpřed....

Protože mám se spoluprací s neurology skromné 15 leté zkušenosti, a protože částečně rozumím i Vaškovi Bláhovi když spustí o umělé inteligenci dovoluji si dnes odstartovat další nepravidelný a nekonečný seriál - tentokrát o tom jak funguje mozek, zejména s přihlédnutím jak by mohli fungovat naši roboti ( a zatím tak ani náznakem nefungují ).

Poznámka pro Karla, který mě kdysi zdrbal, že "chleba levnější nebude" když budu pořád vytahovat a světlo jak to má příroda ošéfované a inženýři ne. Ano chleba levnější nebude, ale taky platí "neustálým poprcáváním k dokonalosti" takže třeba se nad mými článečky někomu rozsvítí, nebo (vysoce nepravděpodobně) se při jejich psaní rozsvítí mně.

Drobná poznámka na závěr - nevím jestli mám psát doporučení pro blondýny, brunety, nebo zrzavé, ale v každém případě, kdybyste někdo náhodou měli dostat Nobelovu cenu za umělou inteligenci - nezapomeňte že prvotní informaci k tomu geniálnímu nápadu na záchodě máte ode mně a alespoň jednou větou se o mně zmiňte v životopise co se odevzdává Nobelovu výboru....