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 uitleg of detail .

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 ( uitleg of detail ), die eigenlijk al geheel is samengevat in de illustratie die stamt van Wikipedia ( uitleg of detail ):

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 uitleg of detail ). 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 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 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