WERELD & DENKEN
 
 

Neurologie, waarnemingsorganen: oog

26 mrt.2014

Van de waarnemingsorganen is het oog wel aan te duiden als het belangrijkste, omdat het de belangrijkste informatie over de ruimtelijke omgeving verschaft. Aanvankelijk waren de hersendelen die de signalen van het oog verwerkten ook de grootste en de belangrijkste, onder diverse namen als het tectum - later in de evolutie een onderdeel van de hersenstam  .

Een ander belangrijk aspect aan het oog is de manier waarop het de signalen verwerkt. Die methodiek is in nieuwere delen van de hersenen vele malen opnieuw gebruikt. Daar gaat het hier voornamelijk om.

De basale elementen van het oog zijn de lichtgevoelige cellen, gesitueerd in de achterwand van het oog genaamd de retina - het ontstaan van een dergelijke structuur is een evolutionair veelvoorkomend proces  . De retina bevat miljoenen zogenaamde staaf- en kegelcellen, met ieder een eigen functie, af te korten tot "beeldopbouw" en "beeldvulling". Het beeld op de retina is dus aanvankelijk puntje-voor-puntje, oftewel een bitmap - zie onderstaande illustratie (van harunyahya.com  ) :

Het rechter plaatje laat schetsmatig zien dat de lichtgevoelige cellen op regelmatige wijze zijn verbonden met lagen van neuronen, oftewel: met een neuraal netwerk. Dat netwerk heeft twee functies: uitfilteren van wat belangrijk is, en dat over de betrekkelijk beperkte hoeveelheid zenuwbanen richting hersenen sturen.

De eerste en voornaamste filtering is dat lichtere en donkere gebieden teruggebracht worden tot contouren - en de tweede dat alleen bewegende contouren worden doorgegeven. Dat je als bewuste mens toch een volledig beeld ziet, komt omdat er tussen de contourinformatie door ook wat vlakinformatie wordt verstuurd, en de ogen kleine bewegingen maken, saccades, om toch te kunnen zien als alles stilstaat  . De beeldverwerker in de hersenen vult dit alles weer aan tot een volledig plaatje. Wat niet perfect gaat, aanleiding gevende tot wat bekend staat als optische illusies  .

Die filtering en omzetting wordt gedaan door een neuraal netwerk, dat om evolutionaire redenen binnen het oog ligt, zie de rechterillustratie boven. Het gaat hier om dat neurale netwerk. Onder zijn drie voorstellingen ervan gegeven (origineel van linker twee illustraties van Webvision uitleg of detail ):

Links een daadwerkelijke microscoopopname, die een duidelijke structuur in lagen laat zien. De donkere gedeelte aan de bovenkant zijn de onderkanten van kegeltjes en staafjes. De eerste lichterblauwe band is de massa van verbindingen naar de eerste laag van neuronen, de blauwe bolletjes - en er volgen nog twee van zulke lagen. Naast de microscoopopname twee steeds schetsmatiger voorstellingen, met dezelfde lagen-en-verbindingen structuur.
    In de middelste zijn de verhoudingen zo veranderd dat alle elementen goed zichtbaar zijn - er zijn minder en grotere staafjes en kegeltjes, en het aantal verbindingen is gereduceerd.
    De meest rechtse is het schema van wat in de techniek bekend staat als een fast-Fourier transformator, of FFT  (Wikipedia), een structuur die een wiskundige operatie uitvoert, en die werkt als een soort scheidingsfilter in belangrijke en minder belangrijke informatie, wat in de muziek de "hoofdtoon" en de "bijklanken" heet - let op de overeenkomst in de dichtheid van het aantal verbindingen tussen de verschillende lagen. Het verhaal gaat dat een elektronicus bezig was met dit schema, en een toeschouwer kreeg in de vorm van zijn broer die oogarts (of iets dergelijks) was. Die zei onmiddellijk: "Maar dat is hoe het zenuwnetwerk achter het netvlies eruit ziet".
    In de weergegeven versie van het diagram heeft de onderste laag evenveel elementen als de bovenste, zodat in feite alle informatie gehouden blijft. De natuur heeft besloten een groot deel van de minder belangrijke informatie te laten vallen, tezamen met het aantal cellen in de onderste laag, ten gunste van snelheid van transport. Dit onder het motto: "alles dat beweegt en eventueel op ons af kan komen eerst en wel zo snel mogelijk" - en "en de rest van het plaatje kleuren we later wel in" (figuurlijk en letterlijk!). Het veel kleinere aantal cellen in de onderste laag is de uitgang van dit netwerk dat signalen via de optische hoofdzenuw naar de hersenen stuurt.

 FFT wordt, net als zijn meer algemene voorvader genaamd Fourier-analyse  , gebruikt in de signaalanalyse, wat je ook kan toepassen op een muziekinstrument. De verschillende tonen die het instrument afgeeft zijn pieken in het resultaat van de Fourier transformatie: het Fourier spektrum. De grondtoon van het instrument is de sterkste piek (in de geïdealiseerde illustratie die bij 9.800 Hz) en bepaalt de toonhoogte - de andere tonen die afgegeven worden, hogere en lager dan de grondtoon (in de illustratie de kleinere pieken links en rechts van de grote), bepalen de kleur van het instrument. Hoe meer hoge tonen, hoe schriller het instrument: een blokfluit meer dan een piano, een dwarsfluit meer dan een blokfluit, een hobo meer dan een dwarsfluit - voor wat praktische beelden, zie hier  . Voor een demonstratie van de werking van een FFT-netwerk zie hier  .

De reden dat de natuur deze vormen ontwikkeld heeft, is dat in plaats van gedetailleerde optische informatie, in computertermen: de informatie over alle pixels op het scherm, alleen signalen van een bepaalde betekenis worden verstuurd in compacte vorm. Zo worden alle scherpe lichter-donker overgangen, wat in de werkelijkheid de grenzen tussen objecten zijn, door het FFT proces in het netvlies omgevormd tot een een enkel signaal: "lijn op die en die plaats" - die informatie gaat met voorrang naar het brein voor verdere verwerking. Met deze eerder vermelde essentiële toevoeging: het oog signaleert niet zozeer statische beelden of patronen, maar de veranderingen ervan: of een bepaalde lijncontour zich verplaatst. Dit gaat zo ver dat een volledig statisch beeld niet wordt waargenomen en er geen signaal naar de hersenen gaan. De manier om dit probleem te omzeilen is door het oog zelf automatisch kleine bewegingen te laten maken.

De informatie over hoe de vlakken begrenst door de lijnen zijn ingevuld, bijvoorbeeld met kleur, gaat naar aparte, langzame delen van het brein - het brein recombineert de lijn- en vlaksignalen tot een compleet beeld, wat, relatief gezien, vrij veel (reken-)tijd kost. De door de natuur als belangrijkst beoordeelde signalen zijn die van veranderingen in de plaats van die overgangen - dat is in werkelijkheid namelijk beweging. En wel met het bijkomende onderscheid: hoe sneller de verandering (hoe sneller de beweging!), hoe groter de urgentie. De verwerking van dit soort signalen is zo belangrijk dat ze als eerste buiten het brein om afgehandeld worden, in de hersenstam en ruggemerg, om te zorgen voor instantane reactie: de reflexen. Dit laatste is te zien in talrijke diersoorten die anders reageren op snelle en langzame beweging: slangen slaan toe bij snelle beweging, en kan je ontsnappen door heel langzaam te bewegen.

De verder verwerking van de signalen verzonden door het neurale netwerk van het oog vindt dus plaats op verschillende niveaus. Het is uit oogpunt van technologische "logica" en de bekende eigenschap van netuur om effectief-werkende structuren her te gebruiken, zeer voor de hand liggend dat die verdere verwerkingsstructuren van de optische signalen op soortgelijke manieren zijn georganiseerd, "werken", als het neurale netwerk van het oog. Voor een basaal overzicht daarvan, zie hier  .


Naar Neurologie, organisatie  , Psychologie lijst  , Psychologie overzicht  , of site home  .