Neurologie, waarnemingsorganen: oog
Evolutie
Het ontstaan van het oog, en zijn voorloper: het lichtgevoelige element, is een voorbeeld
van de werking van de evolutie. In stappen: - meer licht, meer zonnestralen;
- meer zonnestralen, meer warmtestralen; - meer warmtestralen, meer
warmte; - meer warmte, meer beschikbare energie; - meer beschikbare
energie, meer levensvormen die die energie gebruiken voor voortplanting;
- meer levensvormen, meer voedsel; - meer voedsel, meer energie;
- meer energie, meer voortplanting. Ergens rond stap 5 zit hier
een zichtbare en fundamentele tweedeling in de evolutie: namelijk die tussen
bewegers en stationairen, oftewel planten en dieren. Stap 5 slaat op beide,
maar stap 6 is speciaal bedoeld voor levensvormen die voor het voortbestaan
afhankelijk zijn andere andere levensvormen, zoals dieren afhankelijk zijn
van het verorberen van planten.
Die tweedeling moet er echter ook
ergens in het begin al in zitten, want planten hebben geen ogen. Dat komt
omdat je wel die informatie over lichthoeveelheden binnen kan krijgen, maar
je moet er ook iets mee kunnen doen. Dat kunnen
planten niet - ze zitten vast. Ze kunnen zich niet verplaatsen naar een
omgeving met meer licht. Planten hebben toch wel een
oplossing: ze doen dat via hun zaden die ze dusdanig wijd verspreiden dat ze
nieuwe, en meer lichtrijkere, omgeving kunnen bereiken. Dat wil zeggen: de
soort past zich aan. Maar niet het individu.
Hier gaat het over
dieren, omdat daarbij ook het individu zich al kan aanpassen qua omgeving,
wat resulteert in een schier oneindig veel snellere evolutie.
De term
"lichtgevoelig element" is hier meteen al geïntroduceerd, omdat dit beslist
niet hetzelfde is als een oog - een oog gebruikt lichtgevoelige elementen
maar doet dat in een structuur die meer informatie binnenhaalt dan alleen de
hoeveelheid licht. Bij de meeste besprekingen gaat het om die extra
informatie en slaat men de eerste stap over. Wat tot minstens één
fundamenteel misverstand heeft geleid: het gebruik van het oog als voorbeeld
van een "constructie" die dusdanig ingewikkeld is dat het wel door middel
van "design" moet zijn ontstaan, omdat het ontstaan ervan door toeval te
onwaarschijnlijk is
.
Een deel van de weerlegging is wel
wetenschappelijk bekend, maar niet zozeer publiekelijk, want anders zou het
"design"-argument niet meer bestaan.
De eerste stappen zijn weer
simpel: één lichtgevoelig element: voordeel. Twee lichtgevoelige elementen:
eerder waarschuwing dus meer voordeel. Tot een heel gebiedje aan de
oppervlakte lichtgevoelig is: een lichtgevoelig vlies als onderdeel van de
huid. Stap 2: als het lichtgevoelige vlies in een
lichte holte ligt, is er een zekere richtingsgevoeligheid: rechtvooruit vang
je meer licht dan van de zijkanten. Richtingsgevoeligheid betekent dat je
gerichter op zoek kan naar de plaats van meer licht.
Voordeel. Hoe holler, hoe meer richtingsgevoeligheid,
hoe meer voordeel. Deze laatste en de volgende stappen
zijn al beschreven voor het geval van weekdieren, zie molluscs.at (
), die eigenlijk al geheel is samengevat in de
illustratie die stamt van Wikipedia (
):
Waarbij het bovenstaand gaat om de fysieke structuur.
Waar het hier
echter om gaat, is datgene dat ernaast ontwikkeld wordt: de neuronale
structuur. Oftewel: hoe wordt de data van het grote, qua aantal,
conglomeraat van lichtgevoelige cellen verwerkt.
Neurologische structuur
Het oog is vermoedelijk één van de latere of het laatst ontwikkelde
waarnemingsorgaan, voorafgegaan door pijn, tast, smaak en gehoor in ieder
geval (zie bijvoorbeeld hun locatie in de hersenstam
). En tevens dat met
de grootste rijkdom en dichtheid aan informatie, met miljoenen licht
gevoelige cellen. Omdat de plaats van het oog qua optimaal
waarnemingsvermogen van nature in het hoofd ligt, en het hoofd al ver
verwijderd is van de hersenstam waar de informatie van de overige
waarnemingsorganen verwerkt wordt, moet die grote hoeveelheid oog-informatie
ook daarheen. En met aan iedere lichtgevoelige cel één neuron met zijn eigen
verbinding naar de hersenstam is nauwelijks een efficiënte en misschien
zelfs onmogelijke aanpak.
Dus die informatie moet op één of andere
manier gecomprimeerd worden zodat het over een behapbare zenuwbundel kan
(dit is allemaal op teleologische manier geformuleerd, maar daarachter zit
natuurlijk gewoon weer selectie). Wat er dan allemaal bij elkaar zo uitziet (van harunyahya.com
) :
In het linker plaatje links de werkelijkheid, die door de ooglens wordt
geprojecteerd op het achtervlak van de oogbol: de retina. Waarin de signalen
worden verwerkt en gecomprimeerd zodat, rechts in het linkerplaatje, het in
een bundel naar de hersenstam kan. Het rechterplaatje
is een detail van de retina, met de lichtgevoelige cellen rechts, en de
neuronen, eigenaardig, links oftewel aan de binnenkant. Zichtbaar is een
lagenstructuur, een neuraal netwerk, dat zorgt voor de selectie en de
samenbundeling.
Waaromtrent een aantal veronderstellingen gedaan
worden deels gebaseerd op bekende feiten omtrent hoe het oog werkt, en deels
' logische'. Nummer 1: het belangrijkste is niet de hoeveelheid licht, maar
de verandering daarin.
Die hoeveelheid was de eerste factor in de
ontwikkeling van lichtdetectie, maar dus niet meer in verdere stages van
ontwikkeling. De hoeveelheid licht veranderd in de
natuur is redelijk stationair, bijvoorbeeld door schaduwwerking, en
verandert niet snel, zoals bij dag en nacht. Met één
uitzondering: mede-bewegers. Je kan er goede
argumenten voor aanvoeren, maar hier wordt simpelweg gesteld: predatie is
vanaf het allereerste begin van het leven een essentiële factor.
Oftewel: mede-bewegers = gevaar!!! Niet " potentieel gevaar' want dat
is een pleonasme. Gevaar is altijd potentieel. Gevaar
is: bij keuze tussen kans op leven of kans op dood is de te kiezen
handelingswijze altijd degene die rekening houdt met de kans op dood.
Oftewel: mede-beweger = wegwezen!!! Oftewel: beweging
in zichtveld: wegwezen. Oftewel: verandering van
lichthoeveelheid = beweging = wegwezen. Naar de
hersenstam, die het acute bewegen regelt, moet aller-allereerst ieder teken
van lichtverandering. De rest zoeken we daarna wel
uit. En, weet iedereen ingevoerd in computertechniek:
allersnelst betekent "hard wired" . de afhandeling gaat niet met
software, maar met circuits speciaal voor dit doeleinde.
Oftewel; de neuronen achter het oog moeten als allereerste volkomen
automatisch, door de manier waarop ze aan elkaar zitten, verschillen in
lichthoeveelheid detecteren. Met daar natuurlijk
meteen bij: hoe sneller het verschil oftewel hoe sneller de (mogelijke)
beweging, hoe sneller het signaal. En ga nu maar
terug naar uw eigen lichaam en uw eigen ervaringen: u kunt dat daar aan uw
eigen reacties waarnemen. Een snelle beweging in het
zichtveld veroorzaakt indien niet absoluut meteen herkend of bekend als onschuldig,
onmiddellijk een lichamelijke reactie waarover mensen onderling zeggen dat
het "angst" is. Maar het is nog primitiever.
Op welk een stuk bekende
kennis ingevoegd kan worden: zet iemands oog absoluut vast en tover hem een
stationair beeld voor, en de persoon ziet niets. En het is bekend wat de
natuur als oplossing heeft om toch stationaire beelden te zien: het oog
maakt minuscule bewegingen waardoor een beeld dat extern stationair is, toch
minuscule bewegingen maakt over de retina, omdat de retina zelf een beetje
beweegt. Die bewegingen heten saccades
.
Hoe het
neurale netwerk voor de retina dat doet, valt mede af te leiden uit hoe het
eruit ziet. De afbeelding boven is schematisch, hieronder zijn twee
meer gedetailleerde (van Webvision
):
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 de lichtgevoelige cellen. 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 illustratie is een schematische
weergave van hetzelfde gebied.
Die structuur van drie lagen met schuinlopende verbindingen
ertussen heeft diverse keren geleid tot een associatie met een in de electrotechnische
signaalverwerking bekende schakeling van wat heet een fast-Fourier
transformator, of FFT
(Wikipedia),
waarvan hier een schema:
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
.
Bovenstaand schema
lijkt het meest op de fysiologie van het retina-netwerk, maar is er niet een
directe representatie ervan; dit bovenstaande is acht neuronen en
bijpassende lichtgevoelige cellen breed, waarvan er dus in werkelijkheid
veel meer zijn. In een echt FFT-schema neemt het aantal lagen toe met het aantal
ingangspunten (een extra laag per verdubbeling) - en het retina netwerk
heeft echt maar drie lagen.
Maar het belangrijkste bezwaar is direct
zichtbaar: het is "design". Om te werken moeten alle onderdelen al meteen
goed functioneren, en tot zoiets is (de) evolutie niet in staat - (de)
evolutie heeft nooit het wiel ontwikkeld, omdat er te veel onderdelen zijn
die meteen moeten passen en werken.
Vnauit dit oogpunt is meer te
doen als je het FFT-schema omkeert (qua werking en uitkomst maakt dit niets
uit):
De bovenstaande laag is duidelijk de fundamentele operatie in viervoud, hetende een
"butterfly", die er los zo uitziet (horizontaal getekend):
Met links twee lichtgevoelige cellen en in het midden vier neuronen,
twee ingangen en twee uitgangen, en vier verbindingen ertussen, waarvan er
eentje het signaal omkeert - dat laatste is cruciaal, reden waarom je niet
met de uit de digitale wereld bekende combinatie van 0 en 1 kan werken: het
omgekeerde van 0 is ook 0. De animatie geeft de uitkomsten bij verschillende
combinaties. Die laat zien dat het ene uitgangsneuron een signaal "identiek"
afgeeft, en de ander "verschil".
En hier is dus de gewenste
functionaliteit voor het selecteren van belangrijke en onbelangrijke
lichtpatronen: het verschilsignaal oftewel de beweging moet naar de afdeling
"snel", en het "identiek" signaal kan naar "rustig afhandelen".
Overigens is deze scheiding niets bijzonders - bij pijn-signalen gebeurt
precies hetzelfde. Dat is omdat het verwerken van snelle signalen meer
energie kost, en "energie sparen" is "minder voedsel nodig" is "langer
(over) leven".
En, cruciaal: van een schema als boven is prima
voorstelbaar hoe het evolutionair kan ontstaan - het gaat over de relatie
tussen buren.
De methodiek van verschildetectie leidt er automatisch
toe dat er aanvankelijk ook alleen sprake is van contourdetectie. De
contouren in een plaatje zijn de plaatsen waar de kleur of de intensiteit
verandert. Oftewel: alleen van een contour zie je de beweging, niet van een
egaal vlak. Dit is uitgetest bij dieren als kippen: alleen het contour van
een roofvogel is voldoende om ze aan het schrikken te krijgen.
De
eerder gegeven detail-illustratie van het retina-netwerk ... :
... toont verschillende soort neuronen, met per soort een eigen
verbindingspatroon. Uitgaande van het butterfly-principe, dat resulteert in
een uitgang die alleen verschillen detecteert, is een poging gewaagd dit te
modelleren met behulp van basale circuits uit de digitale logica
(met "0, 1"-logica om het leesbaar te houden maar wat vermoedelijk "-1, 1"-logica moet
zijn). De basale
"verschil"-detector daarin is de XOR-schakeling of XOR-poort (gate):
Daarmee kan je de eerste neuron-laag, die vastzit aan de lichtgevoelige
cellen, modelleren als volgt:
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 detecteert 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 tijdstandaard 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 poorten 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-poorten aangegeven met "0"
die de starttijdstippen vastleggen, waarna hun "1" uitkomst wordt
vastgehouden door buffers op rij D. Die referentie wordt gevoerd naar
AND-poorten 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 poorten telkens iets
verder weg van de "0"-poort, 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.
De stap van logische
poorten naar schakelementen die door neuronen vervangen kunnen worden, is
simpel: hier is een schakelschema met transistoren voor het bouwen van een
XOR logische poort:
Met neuronen is dit vermoedelijk 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 prioriteit ten opzichte van de structuren die
zich bezig houden met beweging.
Voor andere voorbeelden van dit
soort technische processen in de neurologie, zie Cerebellum
en Slaap
.
Meer over de ontwikkeling van neurale netwerken hier
.
Naar Neurologie, organisatie
, of site home
.
| 26 mrt.2014; 27 mei 2016; 16 mei 2021 |
|