M ózg i

1. Inteligentne Systemy Autonomiczne Mózgi W oparciu o Neural Basis of Thought and Language Jerome Feldman, Spring 2007, feldman@icsi.berkeley.edu oraz wykład Prof. Włodzisława Ducha Uniwersytet Mikołaja Kopernika Janusz A. Starzyk Wyższa Szkoła Informatyki i Zarządzania w Rzeszowie

2. Nauka i zrozumienie inteligencji • Słyszę i zapominam • Widzę i pamiętam • Robię i rozumiem • według Konfucjusza 551-479 B.C.

3. Ewolucyjny rozwój mózgu • Selekcja sposobów działania mózgu przydatnych do przetrwania dokonała się na poziomie odruchów naturalnych, percepcji, możliwości rozumowania, czy tez zdolności językowych. • postrzegamy tylko to, co dla nas potencjalnie może być ważne • Ewolucja wytworzyła specyficzne struktury mózgu odpowiedzialne za określone zachowania. • Uczenie się jest procesem selekcji możliwości wybranych przez naturę na drodze doboru naturalnego; konkurencją pomiędzy neuronami.

4. Ewolucyjny rozwójmózgu • Widzenie kolorów przydatne jest do odróżniania gatunków traw i postrzegania na odległość dojrzałych owoców • potrzebny jest specyficzny układ wzrokowy analizujący informację o kolorze, dlatego nie wszystkie zwierzęta widzą kolory. • Każdy widzi kolory nieco inaczej: • Ludzie mają 3 receptory kolorów (czopki). • Owady i ptaki mają 4 receptory, widzą w ultrafiolecie, białe kwiaty mają w tym zakresie różne barwy; • motyle mają aż 5 receptorów! • Żmije widzą w podczerwieni, postrzegają bardziej ruch niż kształty, ich szczęka służy za receptor niskich drgań, węszą stereoskopowo za pomocą języka.

5. Ewolucyjny rozwój mózgu • Orientacja i widzenie przestrzenne (stereoskopowe) przydatne jest ssakom i ptakom drapieżnym (np. sowom), które mają oczy z przodu głowy, widzą węższy wycinek ale potrafią dobrze oceniać odległość. • Ssaki roślinożerne i ptaki mają oczy z boku głowy, widzą pod znacznie szerszym kątem, ale nie widzą przestrzennie, słabiej oceniają odległości. • Widzenie wymaga zdolności tworzenia map orientacji przestrzennej, a więc rozwoju specyficznych form pamięci i przetwarzania informacji.

6. Do czego potrzebny jest mózg? • Mózg potrzebny jest do kontroli złożonego zachowania. • Ptaki śpiewające zwiększają w okresie godowym rozmiary swojego mózgu. • Co może się stać jeśli mózg przestaje być potrzebny?

7. Do czego potrzebny jest mózg? • Młoda żachwa pływa, ma mózg i powrózek nerwowy, podobna jest do kijanki. • Po osiągnięciu dojrzałości przytwierdza się do skały. • Stopniowo wchłania swój mózg - nie jest już potrzebny. • Pozostaje tylko węzeł nerwowy przydatny do kontroli filtrowania pokarmu.

8. Kontrola ruchu wymaga mózgu • Generatory ruchu wywołujące rytmiczne skurcze odpowiedzialne są za wężowate ruchy ryb, ruchy nagarniające u skorupiaków, filtrację pokarmu, ruchy stomatogastryczne, ruchy skrzydeł, ćwierkanie cykad i świerszczy. • Powielanie takich generatorów umożliwiło bardziej złożone ruchy u płazów i gadów, a potem przetwarzanie informacji zmysłowej i pamięć, pozwalając wyjść poza proste odruchy i stworzyć złożone funkcje umysłowe. • Podstawową jednostką kory mózgu może być taki mikroobwód oscylacyjny, powstały z generatora ruchu, powielony w milionach egzemplarzy, realizujący proste odruchy, pamięć, a potem inne funkcje.

9. Ewolucja mózgów • Ameby, powstałe prawie 4 mld lat temu nie mają układu nerwowego, podobnie wielokomórkowe gąbki; • dopiero meduzy mają zaczątki nerwów. • Pierścienice, jak ich poprzedniczki sprzed 500 milionów lat (Kambr), mają zwój nerwowy w głowie oraz brzuszny pień nerwowy.

10. Ewolucja mózgów • Ryby mają mózg, móżdżek, opuszkę węchową i rdzeń kręgowy. • Pierwsze ryby z okresu syluru (440 mln lat temu) miały już zróżnicowany układ nerwowy. • Konik polny ma ok. 16.000 neuronów. • Owady powstały w dewonie, ok. 400 mln lat temu.

11. Ewolucja mózgów • Mózg gadów jest wyraźnie większy i podzielony na dwie półkule. • Głowa jest wysunięta do przodu, zgodnie z kierunkiem poruszania się, • umożliwia to szybkie reakcje. Mózg reguluje homeostazę, przetwarza dane zmysłowe i umożliwia złożone zachowania motoryczne.

12. Ewolucja mózgów • Ssaki, powstałe w okresie jurajskim (ponad 200 mln lat temu) mają znacznie większe mózgi z rozbudowanym układem limbicznym i rozrośniętą korą, która ma 6 warstw.

13. Ewolucja mózgów • Przodkowie człowieka: Australopitek (4-5 mln lat, czaszka < 0.5 litra); Homo habilis (2,5 mln lat, 0.65 l); Homo erectus (1.5 mln lat, 1.0 l); Homo neandertalis (1.6 l) oddzielił się od przodków Homo sapiens 250.000 lat temu, ostatni neandertalczyk żył ok. 35.000 lat temu.

14. Ewolucja mózgów Czy inteligencja wymaga mózgu ssaka? Wątpliwe, bo niektóre ptaki (papugi, krukowate) mają inteligencję porównywalną z inteligencją małp, a ich mózgi są dość odmienne, nie ma w nich typowej kory nowej.

15. Obliczenia informacyjne i neuronowe • Co oznacza dla mózgu coś policzyć i jak te obliczenia różnią się od standardowego cyfrowego komputera. • Jak inteligencja może zostać wdrożona w strukturę neuronowych obwodów mózgu. • Jak myślenie jest powiązane z percepcją, kontrolą motoryczną i innymi naszymi systemami nerwowymi, włączając poznanie społeczne. • Jak właściwości obliczeniowe systemów neuronowych i określonych struktur neuronowych ludzkiego mózgu nadają kształt naturze myślenia? • Jakie są aplikacje obliczeń neuronowych?

16. Nervous System Divisions • Centralny System Nerwowy (CNS) • mózg • rdzeń kręgowy

17. Podziały układu nerwowego • Obwodowy Układ Nerwowy (ang. PNS) składa się z: • Nerwy czaszkowe i rdzeniowe • Zwoje • Receptory czuciowe • Dzielony ponownie na: • Somatyczny • Autonomiczny • Komponent motoryczny dzielony na: • sympatyczny • parasympatyczny • Jelitowy

18. 1000 operacji/sec 100,000,000,000 jedn. 10,000 połączeń/jedn. stochastyczny obudowany tolerancja błędów rozwija się uczy się 1,000,000,000 operacji/sec 1-100 procesorów ~ 4 połączeń dwójkowy, deterministyczny abstrakcyjny awaryjny zaprojektowany zaprogramowany Mózgi ~ Komputery • Mozgi i komputery • Tokyo Lecture 5 time 23:00-36:00

19. Źródła wiedzy o mózgu • Metody badania funkcji mózgu: • Obserwacje rezultatów uszkodzeń (wypadki, udary, guzy mózgu, operacje mózgu). • Obserwacje neuropsychologiczne, choroby psychiczne. • Systematyczne uszkodzenia mózgów zwierząt. • Bezpośrednie stymulacje mózgu (TMS, elektrody) i zmysłów, obserwacje reakcji fizjologicznych (introspekcja, GSR, EMG, oczy). • Bezpośrednie obserwacje elektrycznej aktywności kory mózgu: ECoG, optyczne, pomiary wieloelektrodowe. • Obserwacje aktywności dużych grup neuronów EEG, MEG. • Nieinwazyjne metody pośrednie: fMRI, PET, SPECT. Anatomia mózgu: metody klasyczne, neuroanatomia porównawcza; tomografia komputerowa (CT scan), USG mózgu; Rezonans Magnetyczny (MRI).

20. Tomografia komputerowa • Zalety: • Stosunkowo tania. • Nowe skanery są bardzo szybkie. • Często używana w diagnozach klinicznych różnych organów. • Wady: • Słabo różnicuje miękkie tkanki (ale wystarczy do wykrycia guzów). • Promieniowanie rentgenowskie (ale bezpieczne dawki). Jedna z pierwszych technik nieinwazyjnych (1972). Kamera CT prześwietla czaszkę pod wieloma kątami. Komputer składa otrzymane informacje w trójwymiarowe obrazy.

21. Rezonans magnetyczny (MRI) • Zalety: • Precyzyjny pomiar struktur anatomicznych. • Wyraźny kontrast, widoczne patologie. • Spektroskopia MRI do wykrywania produktów metabolicznych. • Nie używa promieniowania jonizującego. • Wady: • Koszt ~1M$/Tesla Metoda tomografii oparta na pomiarach rezonansu magnetycznego dla jąder atomów wodoru zawartych w cząsteczkach wody. Silny magnes (0.2-20 Tesla) + fale radiowe. Wiele wariantów, obrazujących w różny sposób rozkład tkanek zawierających wodę w różnych proporcjach. Obrazowanie dyfuzyjne mierzy rozchodzenie się płynów w tkankach.

22. Rezonans funkcjonalny (fMRI) Zalety: Dość dokładna lokalizacja (1-5 mm) aktywnych obszarów mózgu. Nie używa jonizującego promieniowania. Wady: Koszt ~1M$/Tesla, drogie utrzymanie. Hałas, długie pomiary, unieruchomienie. Słaba rozdzielczość czasowa ~5 sek. Tylko pośrednie dane o aktywności mózgu. Mózg w czasie pracy potrzebuje tlen niesiony przez hemoglobinę. Widoczny sygnał (BOLD) zależy od utlenienia hemoglobiny we krwi. Silny magnes (1.5-7 Tesla) + fale radiowe. Nie całkiem rozumiemy procesy odpowiedzialne za powstawanie sygnału BOLD (metabolizm? glutaminian?). Interpretacja wyników wymaga interdyscyplinarnego zespołu.

23. Tomografia pozytonowa (PET) • Zalety: • Bardzo wysoka czułość, wykrywa neuro-transmitery, receptory, leki, metabolity. • Wady: • Wysokie koszty i drogie utrzymanie. • Lokalizacja przestrzenna ~5 mm. • Słaba rozdzielczość czasowa ~1 min. • Tylko pośrednie dane o aktywności mózgu. Zastosowana w badaniach ludzi w latach 1970, podobna do SPECT. Radioaktywne substancje o krótkim czasie rozpadu wysyłają pozytony, które anihilując dają sygnał obserwowalny za pomocą kamer gamma. Różne izotopy pozwalają badać różne procesy metaboliczne. Umożliwia wczesną diagnozę wielu chorób, w tym psychicznych, badanie zużycia glukozy podczas procesów poznawczych.

24. Elektroencefalografia (EEG) • Zalety: • Wysoka rozdzielczość czasowa (1 ms). • Dość tania, stosunkowo łatwa. • Wady: • Mała rozdzielczość przestrzenna przy identyfikacji źródeł (1cm). • Tylko kora mózgu, trudności interpretacyjne. Badania EEG na ludziach od 1924 roku (Hans Berger). Słabe potencjały 5-200 mV, częstości do 100 Hz, rzadko powyżej, od 1 do 256 elektrod (zwykle 2x8+3 na środku), zwykle wymagających żelu. Nie wiemy czy EEG jest artefaktem czy niesie informacje. Główne zastosowania to analiza zaburzeń snu, ognisk padaczki, wykrywanie patologii, śpiączki, biofeedback, BCI, potencjały wywołane P300 stosuje się jako „brain fingerprinting”.

25. Magnetoencefalografia (MEG) • Zalety: • Wysoka rozdzielczość czasowa (<1 ms). • Dociera do głębszych struktur (ale tylko podłużne prądy). • Wady: • Wysoka cena, skomplikowane urządzenie. • Mała rozdzielczość przestrzenna przy identyfikacji źródeł (5 cm). • Trudności interpretacyjne. Od lat 1980, pomiary pola magnetycznego za pomocą wielu (~300) nadprzewodzących detektorów SQUID (wymagają ciekłego helu). Tło jest rzędu 108 fT, sygnały mózgu rzędu 10 fT. MEG wymaga pobudzenia ~50.000 neuronów, wykrywa prądy. Główne zastosowania to analiza ognisk padaczki, określanie obszarów kory przetwarzającej sygnały zmysłowe, funkcje językowe.