Topologia połączeń Wzorce połączeń między neuronami: Zbieżność Rozbieżność Transmisja seryjna (szeregowa) Transmisja równoległa Samosprzężenie Pobudzające sprzężenie zwrotne dodatnie Hamujące sprzężenie zwrotne dodatnie Sprzężenie zwrotne ujemne

Od synaps do obwodów Triada synaptyczna: neurony wejściowe (input elements), neurony przekaźnikowe (relay neuron), interneurony (intrinsic neuron)

Neuron McCullocha i Pittsa, 1943 McCulloch, W. S. and Pitts, W. H. (1943). A logical calculus of the ideas immanent in nervous activity. Bulletin of Mathematical Biophysics, 5:115-133. Biologia Psychologia Inżynieria Biocybernetyka

Muzyka hardwarowych neuronów wejście pobudzające wejście hamujące wyjście

Podejście makroskopowe Wielkości mikroskopowe -pozycje -prędkości Wielkości makroskopowe -objętość -ciśnienie -temperatura -energia wewnętrzna -entropia -entalpia Wielkości makroskopowe -średni potencjał -ilość impulsów na jednostkę czasu Wielkości mikroskopowe -potencjały błonowe -potencjały czynnościowe

Funkcja sigmoidalna (Wilson and Cowan, 1972; Freeman, 1975) Rozkład progów w populacji Lopes da Silva FH, Hoeks A, Smits H, Zetterberg LH. Model of brain rhythmic activity. The alpha-rhythm of the thalamus. Kybernetik. 1974;15(1):27-37.

Teoria lokalno – globalna (Nunez, 1995) - wychylenie struny - częstość drgań w obwodzie lokalnym - nieliniowość obwodów lokalnych Fala alfa - prędkość rozchodzenia się drgań poprzecznych struny

Teoria lokalno – globalna (Nunez, 1995) – potwierdzenie eksperymentalne

Prawo Energii Własnych Prawo energii własnych nerwów (Law of Specific Nerve Energies),1826 : - postrzegamy nie przedmioty lecz sygnały o nich, przekazywane nam przez nerwy - różne rodzaje nerwów, każdy ma własny rodzaj energii - nerw przekazuje swój rodzaj energii, niezależnie od sposobu pobudzenia The same cause, such as electricity, can simultaneously affect all sensory organs, since they are all sensitive to it; and yet, every sensory nerve reacts to it differently; one nerve perceives it as light, another hears its sound, another one smells it; another tastes the electricity, and another one feels it as pain and shock. One nerve perceives a luminous picture through mechanical irritation, another one hears it as buzzing, another one senses it as pain. . . He who feels compelled to consider the consequences of these facts cannot but realize that the specific sensibility of nerves for certain impressions is not enough, since all nerves are sensitive to the same cause but react to the same cause in different ways. . . (S)ensation is not the conduction of a quality or state of external bodies to consciousness, but the conduction of a quality or state of our nerves to consciousness, excited by an external cause.

Pięć zmysłów

Modalności sensoryczne u człowieka

Od receptorów do percepcji Procesowanie informacji sensorycznej Receptory Obwody i trakty sensoryczne Percepcja

Receptory miejsce transdukcji lub transmisji synaptycznej miejsce powstawania impulsu bodziec

Transdukcja

Potencjał receptorowy Potencjał receptorowy na przykładzie receptora rozciągnięcia mięśnia (mechanoreceptora). A. Receptor mięśniowy (wrzeciono mięśniowe). Zakończenia neuronu czuciowego są owinięte wokół pojedynczych włókien mięśniowych. Zakończenia nerwowe reagują na rozciągnięcie mięśnia. Mechaniczna deformacja błony komórkowej otwiera kanały jonowe (Na/Ca) i powoduje depolaryzacje błony. B. Górny zapis: potencjał receptorowy w aksonie włókna sensorycznego w odpowiedzi na rozciąganie o różnej wartości. Dolny zapis: amplituda i tempo rozciągania. C. Zapis patch clamp odpowiedzi pojedynczych kanałów jonowych na rozciąganie. Zapis gorny: spoczynek, zapisy dolne: podczas rozciągania błony.

Kodowanie bodźca - impuls receptorowy Kodowanie intensywności stymulacji w czasie w neuronach czuciowych. Zapisy z lewej: najwieksza odpowiedz pojawia się w w fazie narastania bodzca. W fazie statycznej odpowiedź maleje. Jest to proces adaptacji.Receptory przekazujące powolne i długotrwałe zmiany adaptują się wolno. Zapisy z prawej: receptory o szybkiej adaptacji odpowiadają tylko na poczatku i na koncu stymulacji. Potencjał receptorowy i częstość odpowiedzi wykazują (prawie) idealną korelację. Intensywność bodźca Częstotliwość odpowiedzi

Hierarchiczne procesowanie informacji Podstawowe zasady Dywergencja Konwergencja Równoległość Sprzężenie zwrotne (feedback)

Mikroobwody Przykłady triad synaptycznych w obwodach narządów zmysłów. Dominuje transmisja w kanałach równoległych (od receptorów do komórek wyjściowych). Oddziaływania poziome zapewniają neurony wewnętrzne.

Hamowanie oboczne u skrzypłocza Skrzypłocz (Limulus) Cząsteczka hemocyjaniny

Hamowanie oboczne – lateral inhibition Skrzypłocz (Limulus) A. Oko złożone Limulusa składa się z 800 ommatidiów. Każde ommatidium składa się z 10-15 komórek receptorowych (retinula cell) ułożonych wokoło komórki centralnej (eccentric cell). Komórki centralne tworzą połączenie wzajemne połączenia hamujące. B. Rozkład odpowiedzi komórek centralnych przy pobudzeniu bodźcem schodkowym.

Hamowanie oboczne – lateral inhibition Skrzypłocz (Limulus) A. Oko Limulusa. B. Odpowiedzi komórek centralnych przy pobudzeniu plamką światła (trójkąty) o dużej i małej jasności oraz bodźcem schodkowym (koła). Różnica pomiędzy krzywymi pokazuje wzmacnianie odpowiedzi z jasnej strony i osłabianie odpowiedzi z ciemnej strony. Zjawisko hamowania obocznego ma znaczenie we wzmacnianiu kontrastu i rozpoznawaniu wzorców.

Sieć Hermana

Percepcja 1. Detekcja bodźca (zachowanie progowe – receptor threshold, behavior threshold) P – źrenica (pupil) FP – punkt patrzenia (fixation point) M - monochromatory S – przesłona (shutter) L - lampa Układ do pomiaru minimalnej energii wywołującej wrażenie wzrokowe. Z. Selig Hecht, Simon Shaleri Maurice Henri Pirenne. Energy, Quanta and Vision. The Journal of General Physiology, Vol 25, 819-840 (1942) - Pojedynczy foton może pobudzić pojedynczy fotoreceptor w siatkówce człowieka - Jednoczesna aktywacja 7 receptorów jest potrzebna by świadomie zarejestrować stymulację

Prawo Webera - Fechnera Percepcja 2. Szacowanie siły bodźca Continuum Exponent (a) Stimulus condition Loudness 0.67 Sound pressure of 3000 Hz tone Brightness 0.5 Point source 1 Point source briefly flashed Taste 1.3 Sucrose 1.4 Salt 0.8 Saccharine Cold, Metal contact on arm Warmth 1.6 0.7 Irradiation of skin, large area Thermal pain Radiant heat on skin Pressure on palm 1.1 Static force on skin Muscle force 1.7 Static contractions Heaviness 1.45 Lifted weights Electric shock 3.5 Current through fingers Angular acceleration 5 s rotation Duration White noise stimuli Prawo Webera - Fechnera p – percepcja k – stała eksperymentalna S – bodziec S0- bodziec progowy Prawo Stevensa a - wykładnik

Prawo Webera – Fechnera vs. Prawo Stevensa

3. Rozdzielczość przestrzenna Percepcja 3. Rozdzielczość przestrzenna Dwu – punktowa rozdzielczość w różnych obszarach ciała. Najlepsza rozdzielczość występuje na końcach palców, na wargach i na języku.

Percepcja 4. Wyodrębnianie cech (feature abstraction lub feature extraction)

Percepcja 5. Wyodrębnianie submodalności (jakości) Percepcja analityczna Percepcja syntetyczna

6. Rozpoznawanie wzorców Percepcja 6. Rozpoznawanie wzorców Psychologia lub teoria Gestalt: teoria umysłu, wg. której – postrzegamy świat całościowo, równolegle, analogowo i w sposób samoorganizujący się. Efekt Gestalt - zdolność zmysłów do tworzenia wzorców, szczególnie w odniesieniu do wzrokowego rozpoznawania kształtów i form, a nie zbioru punktów i linii.

Percepcja - rozpoznawanie wzorców - cd Milczenie Owiec – detal plakatu Salvador Dali In Voluptas Mors, 1951 Milczenie Owiec - plakat