WERELD & DENKEN
 
 

Neurologie, waarnemingsorganen: oog

Het oog geeft van alle waarnemingsorganen de meest gedetailleerde informatie over de ruimtelijke omgeving en haar mogelijkheden en gevaren. Aanvankelijk behoorden de hersendelen die de signalen van het oog verwerkten dan ook tot 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 voorbeeld voor hoe nieuwere delen van de hersenen signalen verwerken. 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 dat neurale netwerk, dat om evolutionaire redenen binnen het oog ligt, zie de rechterillustratie boven. Het gaat hier om dat neurale netwerk, zie deze illustraties (van Webvision uitleg of detail ):

Links een daadwerkelijke microscoopopname, die een duidelijke structuur in lagen laat zien, mede aanleiding gegeven hebbende tot de naam "neuraal netwerk", en op deze website gehanteerd als criterium voor het gebruiken van die naam: een structuur in lagen van neuronen  .
     De details: 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. De rechter illustatie is een schematische weergave van hetzleffde gebied.

Die structuur van drie lagen met schuinlopende verbindingen ertussen leidde tot een associatie met een in de electrotechnische signaalverwerking bekende schakeling van wat heet een fast-Fourier transformator, of FFT  (Wikipedia), die schematisch deze vorm heeft:

De functie van zo'n soort schakeling is die van een soort scheidingsfilter in belangrijke en minder belangrijke informatie, wat in de muziek de "hoofdtoon" en de "bijklanken" heet.
    Meer over een dergelijk schema evolutionair tot stand kan komen, hier  - meer over de interpretatie ervan hier  .

Deze interpretatie kan wel verklaren dat het oog al meteen het beeld analyseert in contouren, maar verklaart niet het alleen-detecteren van beweging. En er is een evolutionair bezwaar: dit is een uitgebreidere structuur met meerdere lagen dus meerdere basale elementen, waarvan het moeilijk is in te zien hoe de natuur die stapje voor stapje kan ontwikkelen - iedere stap moet een overlevingsvoordeel bieden, en daarvoor lijken hier, net als bij het wiel, te veel stappen tegelijk nodig.

Dat heeft geleid tot een alternatief schema, dat op niveau van losse neuronen al aan de twee hoofdeisen voldoet: detecteren van contouren en beweging, en niets anders. Hier is deel één:

De bovenste rij is een schematische voorstelling van de lichtgevoelige cellen, en de tweede rij bestaat uit logische porten van het type "XOR", met het volgende ingangs-uitgangsschema (meer over dit soort logica hier  ):

Oftewel: de uitgang geeft alleen een logische "1" als de ingangen verschillen.
    Schematiseer nu de situatie van een beeld op het oog bestaande uit een enkele contour (zwart-wit overgang) als een logische "0" naar "1" overgang - dan krijg je het volgende resultaat:

Oftewel: deze schakeling decteeert inderdaad een contour, en verder niets.

Dan de beweging. Dit betreft ook de factor tijd, waarvoor dus ergens een standaard moet zijn - het meten van absolute waarden is onmogelijk. Dus één element moet een tijdtstandaard vastleggen, waaraan andere elementen hun gebeurtenissen kunnen refereren als "later". In bovenstaande schema: als ergens een "1" gedetecteerd is, moet deze een bepaalde tijd vastgehouden worden, waarna bij overige porten gekeken kan worden of deze daarna (!) misschien ook "1" worden. Hier is het complete schema:

Bovenin bij A staat het signaal op vier achtereenvolgende tijdstippen, staande voor de bewegende contour. Op rij C toegevoegd zijn XOR-porten aangegeven met "0" die de starttijdstippen vastleggen, waarna hun "1" uitkomst wordt vastgehouden door buffers op rij D.
    Die referemtie wordt gevoerd naar AND-porten op rij E - deze geven alleen  een "1" door als zowel het referentiesignaal als een andere contourdetectie-XOR ernaast een "1" is. In dit geval uitgevoerd voor drie naastliggende porten telkens iets verder weg van de "0"-port, zodat er in feite drie afstanden gemeten kunnen worden: kort, midden, lang. Bij dezelfde referentietijd dus: langzaam, midden, snel.
    Dit patroon wordt voortdurend herhaald in secties om een beweging te kunnen volgen over grotere afstanden en tijden.
    In laag F worden de signalen van opeenvolgende secties opgeteld, soort bij soort, zodat een kortdurende beweging minder signaal oplevert dan een langere beweging. Een hoog signaal op cel 3 in rij F betekent: een snelle langer-doorgaande beweging. "Gevaar!". Is er geen beweging of eentje zodanig langzaam dat de buffertijd al is verstreken: geen signaal.

Het gaat er hier niet om of dit het juiste schema is, maar alleen om te demonstreren dat het mogelijk is om met simpele logische schakelingen de twee bekende eigenschappen van het oog-waarnemingssysteem te reproduceren: het detecteren van contouren-in-beweging en verder niets. Merk op dat in de eerder aangegeven eolutionaire ontwikkeling  er ook begonnen wordt met XOR-functies,.

De stap van logische porten naar schakelementen die door neuronen vervangen kunnen worden is simpel: hier is een schakelschema met transistoren voor het bouwen van een XOR logische port:

Met neuronen is dit vermoedeljk allemaal simpeler - bijvoorbeeld is er dan natuurlijk geen los buffer nodig - dat doet het neuron zelf.

Als geheel levert dit schema uiteindelijk dezelfde structuur op van lagen schakelelementen gescheiden door lagen met dwarsverbindingen. Merk op: het getekende schema dat is alleen voor beweging naar rechts.

Het is waarschijnlijk dat naast deze functionaliteit er nog andere vormen van detectie plaatsvinden, bijvoorbeeld voor het invullen van de contouren, leidende tot gekleurde vlakken. Deze processen kunnen parallel plaatsvinden, met lagere prioritieit ten opzichte van de sctructuren die zich bezig houden met beweging.


Voor andere voorbeelden van dit soort technische processen in de neurologie, zie Cerebellum  en Slaap  .


Naar Neurologie, organisatie  , of site home  .

26 mrt.2014; 27 mei 2016