2.2: Сенсорні системи та концепції

Last updated
Save as PDF

Page ID: 33658

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Однією з труднощів у використанні природної структури та функції нейронів для інженерних застосувань є відсутність розуміння між мікроскопічною фізіологією та макроскопічною поведінкою. Неврологія - це вивчення нейронів на мікроскопічному рівні, тоді як психофізика - це вивчення кореляцій між конкретними фізичними подразниками та відчуттями, що виникають. Неврологія дещо орієнтована на хімію нейрона, а психофізика більше орієнтована на макроскопічну поведінку всього організму. Історія про те, як і чому нейрони пов'язані так, як вони є, продовжує розгортатися і триватиме протягом століть вперед.

2.2.1 Масивні взаємозв'язки

Нейрони сильно взаємопов'язані між собою, утворюючи інформаційні канали в сенсорних системах. Наприклад, людський мозок містить близько 10 ¹⁰ до 10 ¹² нейронів, кожен з яких становить до 10 ³ до 10 ⁴ з'єднань з іншими нейронами. Невеликі групи нейронів називаються гангліями, які зазвичай контролюють специфічну поведінку тварини. Багато безхребетних мають великі нейрони і малі ганглії, що дозволяє дослідникам можливість досліджувати нейрональну сигналізацію і примітивні нейронні мережі.

2.2.2 Навчання івриту

Природні нейронні зв'язки часто зміцнюються при тривалому використанні, відомому як Hebbian Learning. Результатом є адаптація мережі до найбільш частих послідовностей сигналів від зовнішніх подразників. Штучні нейронні мережі (ANN) зараз широко використовуються для вирішення обчислювальних задач, коли прямі аналітичні методи важко або неможливі. Ці мережі натхненні природною парадигмою нейронів, і багато хто взяв на себе варіації, які розходяться від цих оригінальних прикладів. Це цілком прийнятно, оскільки типовою метою є вирішення якоїсь інженерної або обчислювальної задачі, не обов'язково імітувати природну парадигму.

2.2.3 Фізичні типи природних датчиків

Існують різні способи класифікувати конструкції природних нейрональних систем, які доступні для інженерної експлуатації. Обраний тут метод заснований на фізиці подразника. Найбільше уваги приділяються найбільш часто зустрічаються в природі:

- Фото-сенсорні системи, стимульовані фотонами

— системи зору у хребетних та безхребетних

- Механосенсорні системи, стимульовані фізичним рухом в навколишньому середовищі

— сенсорні системи у хребетних та безхребетних

— слухові системи у хребетних і безхребетних

— кінестезія, яка знає взаємне положення частин тіла

- Хімосенсорні системи, стимульовані змінами хімічного вмісту подразників

— нюхові системи, що забезпечують нюх

— густаційні системи, що забезпечують відчуття смаку

Інші фізичні почуття, які іноді зустрічаються в біології, включають чутливі до тепла, інфрачервоного випромінювання, поляризованого світла, електричних полів та магнітних полів.

Існує три основних типи прийому подразників в біологічних сенсорних системах:

- Екстероцепція - це прийом сигналів ззовні організму, таких як фотони світла для системи зору, звукові хвилі для слухової системи та хімічні сліди для нюхової системи. Сенсорні системи цієї групи є предметом цього тексту та більшості досліджень сенсорної системи, які були зроблені.

- Пропріоцепція - це прийом сигналів, які пов'язують положення сегментів тіла один з одним і положення тіла в просторі, що включає кінестезію, згадану раніше.

- Перехоплення - це прийом сигналів від станів всередині організму, таких як рівень глюкози в крові та рівень артеріального тиску.

Існує три основні карти чутливих сприйнятливих полів до частин мозку:

- Соматотопна карта - це карта поверхні тіла в соматосенсорної корі.

- Ретинотопна карта - це карта поля зору (зосередженого на сітківці) в первинній зоровій корі в потиличній частці мозку.

- Тонотопная карта - карта базилярної оболонки в первинній слуховій корі в скроневій частці мозку.

Кількість площі поверхні мозку, присвяченої різким регіонам прийому, різко варіюється, оскільки певні зони прийому є більш важливими і вимагають більш спеціалізованої обробки. Наприклад, виділення в головному мозку на соматотопной карті для відчуття дотику в вказівному пальці значно більше, ніж така ж відносна площа поверхні шкіри спини. Іншим цікавим моментом є відображення рецепторів найближчого сусіда, як правило, зберігається в корі. Тобто сусідні рецептори в периферичній сенсорній системі мають тенденцію стимулювати сусідні нейрони в корі.