Fakulteta za raˇ cunalniˇ stvo in informatiko
Julijana Djordjevi´c
Vizualno zaznavanje pri ljudeh in z umetnimi nevronskimi mreˇ zami
DIPLOMSKO DELO
VISOKOˇSOLSKI STROKOVNI ˇSTUDIJSKI PROGRAM PRVE STOPNJE
RA ˇCUNALNIˇSTVO IN INFORMATIKA
Mentor : izr. prof. dr. Danijel Skoˇ caj
Ljubljana, 2021
besedilo, slike, grafi in druge sestavine dela kot tudi rezultati diplomskega dela lahko prosto distribuirajo, reproducirajo, uporabljajo, priobˇcujejo javnosti in pre- delujejo, pod pogojem, da se jasno in vidno navede avtorja in naslov tega dela in da se v primeru spremembe, preoblikovanja ali uporabe tega dela v svojem delu, lahko distribuira predelava le pod licenco, ki je enaka tej. Podrobnosti licence so dostopne na spletni strani creativecommons.si ali na Inˇstitutu za intelektualno lastnino, Streliˇska 1, 1000 Ljubljana.
Izvorna koda diplomskega dela, njeni rezultati in v ta namen razvita program- ska oprema je ponujena pod licenco GNU General Public License, razliˇcica 3 (ali novejˇsa). To pomeni, da se lahko prosto distribuira in/ali predeluje pod njenimi pogoji. Podrobnosti licence so dostopne na spletni strani http://www.gnu.org/
licenses/.
Besedilo je oblikovano z urejevalnikom besedil LATEX.
Vrsta naloge: Diplomska naloga na visokoˇsolskem programu prve stopnje Raˇcunalniˇstvo in informatika
Mentor: izr. prof. dr. Danijel Skoˇcaj
Opis:
Globoko uˇcenje je postalo prevladujoˇca paradigma strojnega uˇcenja, ki se uporablja za reˇsevanje problemov raˇcunalniˇskega vida, zelo uporabno pa je tudi na drugih podroˇcjih umetne inteligence. Temelji na delovanju umetnih nevronskih mreˇz katerih osnovni gradniki so umetni nevroni. Nevroni so tudi glavni gradniki ˇcloveˇskih moˇzganov. V diplomski nalogi raziˇsˇcite dognanja o delovanju ˇcloveˇskih moˇzganov ter opiˇsite delovanje umetnih nevronskih mreˇz.
Skuˇsajte najti podobnosti in razlike med njima ter raziˇsˇcite medsebojni vpliv dognanj iz nevrologije in raˇcunalniˇske znanosti. Predvsem se osredotoˇcite na funkcijo vizualnega zaznavanja, tako pri ljudeh kot v umetnih sistemih, ki za to uporabljajo globoke nevronske mreˇze.
nosilcu predmeta Diplomski seminar za pomoˇc in informacije, kako oblikovati ustrezno diplomsko nalogo.
Zahvaljujem se tudi lektorici Marjanci ˇSoˇsko, ki si je vzela ˇcas za pregled moje diplomske naloge.
Posebna zahvala gre tudi moji druˇzini in prijateljem, ki so mi med ˇstu- dijem stali ob strani in me podpirali ter nudili pozitivno energijo, kakor tudi motivacijo.
Povzetek Abstract
1 Uvod 1
2 Uvod v nevroznanost 3
2.1 Zgradba moˇzganov . . . 4
2.2 O nevroznanosti . . . 7
2.3 Raˇcunski modeli za razumevanje moˇzganov . . . 10
3 Vizualni sistem in vizualna obdelava 13 3.1 Funkcionalnosti vidne skorje . . . 13
3.2 Casovnica raziskav vidne skorje . . . .ˇ 16 3.3 Potrditev ugotovitev Hubela in Wiesela . . . 23
4 Model vizualne prilagoditve pri ˇzivih bitjih 27 4.1 Delo Hubela in Wiesela . . . 27
4.2 Zaˇcetek in konec kritiˇcnega obdobja . . . 30
4.3 Razvoj moˇzganov v ˇzivljenjskem ciklu . . . 33
4.4 Tveganja laboratorijskih ugotovitev . . . 35
5 Globoko uˇcenje in nevronske mreˇze 37 5.1 Oris umetne inteligence . . . 37
5.2 Raˇcunalniˇski vid . . . 39
5.5 Opis konvolucijskih nevronskih mreˇz . . . 46 5.6 Praktiˇcna implementacija konvolucijske nevronske mreˇze . . . 57 5.7 Arhitekture konvolucijskih nevronskih mreˇz . . . 64 5.8 Uˇcenje s prenosom znanja . . . 68 6 Relacija med ˇcloveˇskimi in umetnimi nevronskimi mreˇzami 75 6.1 Analitiˇcni pogled na bioloˇske in umetne nevronske mreˇze . . . 75 6.2 Relacija med prirojenimi in nauˇcenimi sposobnostmi . . . 82 6.3 Kaj je potrebno za prehod na kognitivno umetno inteligenco . 86 6.4 Odziv nevronskih mreˇz v realnem svetu . . . 88 6.5 Vkljuˇcevanja elementov bioloˇskega realizma v globoke nevron-
ske mreˇze . . . 93
7 Zakljuˇcek 97
Literatura 103
kratica angleˇsko slovensko
EEG Electroencephalogram Elektroencefalografija PET Positron emission tomo-
graphy
Pozitronska emisijska tomo- grafija
fMRI Functional magnetic reso- nance imaging
Slikovna magnetna resonanca CNS Central nervous system Centralni ˇzivˇcni sistem
PNS Peripheral nervous system Periferni ˇzivˇcni sistem LGN Lateral geniculate nucleus Stransko geniculatno jedro GABA Gamma-aminobutyric acid Gama-aminomaslene kisline tPA Tissue plasminogen activator Aktivator tkivnega plazmino-
gena
PTSD Post-traumatic stress disorder Posttravmatska stresna mo- tnja
CSPG Chondroitin sulfate proteo- glycans
Hondroitin sulfat
ACh Acetylcholine brain level Raven acetilholina v moˇzganih
CNN Convolutional neural network Konvolucijska nevronska mreˇza
MNIST Modified National Institute of Standards and Technology
Baza podatkov Nacionalnega inˇstituta za standarde in teh- nologijo
ReLU Rectified linear unit Usmerjena linearna enota CUDA Compute unified device ar-
chitecture
Knjiˇznica za vzporedne obde- lave
GPE Graphics processing unit Grafiˇcna procesna enota
RGB Red Green Blue Rdeˇca Zelena Modra
GPT-3 Generative Pre-trained Transformer 3
Generativno predhodno nauˇcen transformer 3
BDNF Brain-derived neurotrophic factor
Moˇzganski nevrotrofiˇcni fak- tor
Naslov: Vizualno zaznavanje pri ljudeh in z umetnimi nevronskimi mreˇzami Avtor: Julijana Djordjevi´c
Diplomska naloga daje vpogled v vzporednice med tem, kako ˇcloveˇske in ume- tne nevronske mreˇze obdelujejo informacije. Preuˇcimo kljuˇcne teme, da lahko razumemo odnos med temi vzporednicami. Zaˇcnemo z uvodom v nenehno razvijajoˇce se podroˇcje nevroznanosti. Sledi raziskovanje dela Davida Hubela in Torstena Wiesela, katerih poskusi so odkrili, kako se razvija vizualni sistem pri ˇzivih bitjih. Diplomska naloga nato obravnava kritiˇcna obdobja skupaj z njihovo povezavo z razvojem moˇzganov in tveganji umetnih poskusov. S tem smo spoznali nekaj sploˇsnih informacij o vizualnem zaznavanju ljudi.
Sedaj sledi prehod na vizualno zaznavanje pri nevronskih mreˇzah. Zaˇcnemo z vpogledom v globoko uˇcenje in njegovo povezavo z nevronskimi mreˇzami.
Opiˇsemo implementacijo CNN-jev in nato ˇse vzpostavimo vzporednice s kon- ceptom neokognitrona. Predstavljeno je tudi uˇcenje s prenosom znanja. Za zakljuˇcek diplomska naloga obravnava relacijo med ˇcloveˇskimi in umetnimi nevronskimi mreˇzami.
Kljuˇcne besede: nevronske mreˇze, vizualni sistem, nevroznanost.
Title: Visual perception in humans and with artificial neural networks Author: Julijana Djordjevi´c
This thesis gives an insight into the connection between how human and artificial neural networks process information. We investigate key topics to fully understand the relationship between these parallel lines. We start with an introduction to the ever-evolving field of neuroscience. This is followed by a dive into the work of David Hubel and Torsten Wiesel, whose experiments helped uncover how the visual system develops in living beings. The thesis then looks into critical periods along with their link to the development of the brain and the risks of laboratory experiments. At first we establish how humans process information, and then investigate how computers do the same. We begin with insights into deep learning and its connection to neural networks. We look at the implementation of CNNs and then further establish the parallel line connection through the concept of neocognitron. Transfer learning is also defined. Finally, the thesis links together the parallel line theories between living beings and computers.
Keywords: neural networks, visual system, neuroscience.
Uvod
Inteligenca je sposobnost pridobivanja in uporabe znanja, ki je ˇcloveˇstvu pomagala osvojiti svet. Z njo smo postali eden izmed najbolj razvitih orga- nizmov. Inteligenca je lastnost, od katere imamo veliko koristi, a je ˇse ne razumemo v celoti. ˇCloveˇske moˇzgane ˇze dolgo obravnavajo kot eno najbolj zapletenih stvari v znanosti. Glede na njihovo zapletenost se je v preteklo- sti izkazalo, da je teˇzko razkriti njihovo delovanje, toda sedanje raziskave odkrivajo skrivnosti njihove funkcionalnosti. Za razvoj podroˇcja umetne in- teligence so raziskovalci in znanstveniki iskali navdih v ˇze razvitem sistemu – ˇcloveˇskih moˇzganih. Gre za fascinanten organ, ki nam daje sposobnost ustvarjanja, inovacij in dolg seznam orodij, ki niso dostopna nobenemu dru- gemu bitju na zemlji.
Dandanes se umetne nevronske mreˇze nahajajo v poslovnem, kakor tudi vsakdanjem ˇzivljenju. Pripeljale so nas na naslednjo stopnjo umetne inteli- gence. Stroji, ki uporabljajo nevronske mreˇze (vkljuˇcno s pametnimi telefoni in raˇcunalniki, ki jih uporabljamo vsak dan), so usposobljeni za uˇcenje, pre- poznavanje vzorcev in napovedovanje ter reˇsevanje problemov v poslovnih sektorjih.
Namen diplomske naloge je bilo raziskati podroˇcja ˇcloveˇskih moˇzganov in nevronskih mreˇz, nato pa najti povezave med obema poljema, da bi dobili vpogled v jasne vzporednice med njima. Cilj diplomske naloge je bralca
1
pouˇciti o tej povezavi in o strokovnih informacijah, ki jih mora vedeti za razumevanje te povezave. Uporabljena je bila teoretiˇcna oz. sekundarna raziskovalna metoda, saj so bile informacije pridobljene s ˇstudijem ustreznih primarnih virov.
Motivacija za razvoj nevronskih mreˇz so ˇcloveˇski moˇzgani. ˇCloveˇski mo- ˇzgani se imenujejo tudi najboljˇsi procesor, ˇceprav delujejo poˇcasneje kot raˇcunalniki. ˇStevilni raziskovalci ˇzelijo izdelati stroj, ki bi deloval podobno kot ˇcloveˇski moˇzgani. V diplomski nalogi bomo vzpostavili vzporednice med ˇcloveˇskimi moˇzgani in nevronskimi mreˇzami.
Za vzpostavitev vzporednic moramo najprej raziskati podroˇcje nevrozna- nosti. Gre za znanstveno ˇstudijo strukture in delovanja ˇzivˇcnega sistema.
Z zaˇcetnim razumevanjem tega podroˇcja je nato mogoˇce raziskati vizualne modele in vizualno obdelavo. Delo znanstvenikov Hubela in Wiesela je na tem podroˇcju zelo priznano. S poskusi na maˇckah sta zabeleˇzila elektriˇcno aktivnost posameznih nevronov v moˇzganih maˇck, iz ˇcesar so lahko sklepali, kako delujejo tudi ˇcloveˇski moˇzgani.
Opisali bomo tudi model vizualne prilagoditve pri ˇzivih bitjih. Hubel in Wiesel sta izvajala poskuse, ki so pokazali obstoj kritiˇcnih obdobij pri maˇckah, opicah in ljudeh.
Nato se potopimo v nevronske mreˇze in globoko uˇcenje. Nevronske mreˇze so skupek algoritmov, katerih cilj je posnemati delovanje ˇcloveˇskih moˇzganov za prepoznavanje odnosov med ogromnimi koliˇcinami podatkov. To ustvarja vzporednice med nevronskimi mreˇzami in ˇcloveˇskimi moˇzgani. Raziskali bomo razliˇcne tehnike in nauke, potrebne za oblikovanje takega sistema.
Uvod v nevroznanost
Nevroznanost je interdisciplinarna veda, ki je bila tradicionalno uvrˇsˇcena kot podkategorija biologije in jo obravnavajo kot znanstveno ˇstudijo o strukturi in delovanju moˇzganov, zlasti v povezavi z vedenjem in uˇcenjem. Moˇzgani so morda najbolj zapleten sistem, ki obstaja, saj obdeluje in ustvarja sko- raj vse vidike naˇse zavestne izkuˇsnje. Moˇzgani niso zgolj organ v naˇsem telesu – mi smo naˇsi moˇzgani. Vse to prikaˇze njihovo pomembnost. Z leti so nevroznanstveniki poskuˇsali razjasniti zapletenost moˇzganov, tako da bi poslediˇcno bolje razumeli vedenje drug drugega. Sodobna nevroznanost je zdruˇzitev medicinskih, evolucijskih in raˇcunskih disciplin, ki spodbujajo glo- blje razumevanje, kako se rodi, kako raste veˇc kot 85 milijard ˇzivˇcnih celic v ˇcloveˇskih moˇzganih, ki se med seboj povezujejo ter tvorijo ˇcloveˇske misli in dejanja. Zaˇcela se je okoli konca 19. stoletja z odkritjem nevronov, toda prvo dokumentirano ˇstudijo moˇzganov se lahko zasledi v hieroglifih v starem Egiptu. Takrat je zdravnik zapisal seznam poˇskodb glave, navedel poten- cialna zdravila in prviˇc uporabil besedo moˇzgani [27]. Od besede moˇzgani do uporabe besede nevroni je minilo precej ˇcasa, vendar so bili skoki v zna- nju od takrat hitrejˇsi in pogostejˇsi. V tem poglavju bomo predstavili vidike nevroznanosti.
3
2.1 Zgradba moˇ zganov
Moˇzgani so sestavljeni iz veˇc loˇcenih delov: predvsem iz velikih moˇzganov, moˇzganske hrbtenjaˇce in malih moˇzganov. Veliki moˇzgani so sestavljeni iz ˇsestih moˇzganskih predelov, ki obsegajo dve polobli. ˇStiri od teh podroˇcij je mogoˇce videti z zunanjega pogleda na moˇzgane (prikazano na sliki 2.1):
frontalni (moder), senˇcni (zelen), zatilni (rdeˇc) in temenski reˇzenj (rumen).
Druga dva reˇznja sta osrednji in limbiˇcni reˇzenj [100].
Slika 2.1: ˇStiri moˇzganska podroˇcja [100].
Najbolj zunanji del moˇzganov se imenuje skorja (ali vˇcasih neokorteks).
Ta vsebuje list nevronov, ki se ovije okoli vseh moˇzganskih reˇznjev in je debel pribliˇzno 1,5–3 mm.
Moˇzgane lahko razdelimo na posamezne loˇcene dele, imenovane nevroni.
Nevroni so raˇcunske enote ˇcloveˇskih moˇzganov. V vidni skorji je veliko ne- vronskih oblik. V malih moˇzganih se ti imenujejo purkinjejeve celice. Nevroni so glavni komunikatorji v moˇzganih. Vkljuˇceni so v poˇsiljanje signalov iz ene regije v drugo in na koncu sproˇzijo dejanja, pridobivajo spomine ter ustvar- jajo izkuˇsnjo ˇzivljenja. Gosta zbirka nevronov se nahaja znotraj skorje in na drugih podroˇcjih znotraj limbiˇcnega in osrednjega reˇznja. Nevroni poˇsiljajo sporoˇcila, ˇstevilne druge celice, t. i. glialne/nevroglijske celice, pa podpirajo in olajˇsajo to komunikacijo [100]. Obstaja veliko kritiˇcnih in fascinantnih moˇzganskih podroˇcij, vendar prehajanje skozi vsako podroˇcje presega ob-
seg tega, kar ˇzelimo predstaviti v diplomski nalogi. V nadaljevanju se bodo osredotoˇcili na vidno skorjo.
Nevron je sestavljen iz treh glavnih delov, vidnih na sliki 2.2, in sicer iz telesa (soma), dendrita in konˇcnega dela nevrita. Soma je celiˇcno telo.
Dendriti so vhodni konci nevronov, medtem ko je konˇcni del nevrita izhodni del. Torej dendriti prejemajo podatke iz nevritov (t. i. aksonov) sosednega nevrona.
Slika 2.2: Struktura nevrona [77].
Nevroni med seboj komunicirajo prek posebnih kemikalij, imenovanih ne- vrotransmiterji. Nevrotransmiterji poˇsiljajo ”sporoˇcila” iz enega nevrona v drugega. Vsebina nevrona je zaprta v lipidnem dvosloju, lipid je izraz za
”maˇsˇcobo”. Ta dvoplast je neprepustna za nabite ione, kot so natrij, ka- lij, klorid ipd. Te kemikalije se premikajo med nevroni s pomoˇcjo ionskih kanalov. Posledica tega je potencialna razlika (meritve potenciala se izve- dejo v megavoltih) med notranjim in zunanjim delom nevrona. Ta potencial odpira/zapira napetostno usmerjene kanale in glede na napetost se zgodijo negativne ali pozitivne spremembe polarizacije [77].
Potrebno je omeniti, da ni toliko pomemben izvor vsakega dejanja, temveˇc da je vsako dejanje vodeno preko veˇc moˇzganskih komponent, kar pomeni, da nobena misel ali dejanje ni neodvisno. Telo je z moˇzgani povezano s kompleksnimi celicami in ˇzivci, ki prenaˇsajo podatke naprej in nazaj med moˇzgani, hrbtenjaˇco, organi in okonˇcinami. Moˇzgani in hrbtenjaˇca veljajo
za centralni ˇzivˇcni sistem (CNS), saj vkljuˇcujejo vse vhodne informacije sen- zorjev in stimulantov ter modulirajo aktivnost telesa. Nasprotno pa periferni ˇzivˇcni sistem (PNS) obsega sisteme, ki so odgovorni za nadzor miˇsic in urav- navanje telesnih funkcij, kot so srˇcni utrip, prebava, dihanje, odziv zenic ipd.
Medtem ko se PNS razlikuje od CNS, obstaja veliko povezav med obema sistemoma [101].
Zgodnji raziskovalci moˇzganov so raziskovali povezavo in dejavnosti leve in desne moˇzganske poloble. Tudi zgodnji kliniˇcni nevrologi so verjeli, da bi uniˇcenje povezovalnega vlakna (angl. corpus callosum), ki povezuje levo in desno moˇzgansko poloblo, povzroˇcilo resne funkcionalne okvare v moˇzganih, celo sploˇsno intelektualno poslabˇsanje. Vendar pa so znanstveniki skozi leta dokazali, da poloble niso povezane. Delujejo neodvisno ena od druge in to pomeni, da kirurˇska odstranitev povezovalnega vlakna v celoti pri ˇcloveku in ˇzivalih ne povzroˇci resnih funkcionalnih okvar v moˇzganih in se dandanes celo uporablja za zdravljenje epileptiˇcnih motenj [79].
Obiˇcajno imamo ljudje svojo osebnost, naˇcin razmiˇsljanja ali naˇcin dela, kjer prevladuje bodisi desna bodisi leva moˇzganska polobla [103]. Ljudje, ki bolj uporabljajo desno poloblo, naj bi bili intuitivni, kreativni in svobodni misleci. So misleci, ki svet doˇzivljajo z opisnimi ali subjektivnimi izrazi. Na primer: ”Nebo je sivo; Morda bo deˇzevalo?”. Medtem so ljudje, ki imajo bolj razvito levo poloblo, bolj kvantitativni in analitiˇcni. Pozorni so na podrob- nosti in uporabljajo logiko. Primer njihovega razmiˇsljanja je bolj: ”napoved je dejala, da je verjetnost deˇzja le 30-odstotna, toda ti sivi oblaki bodo ver- jetno prinesli deˇz”. Ti pojmi leve in desne moˇzganske poloble so sploˇsno razˇsirjeni in sploˇsno sprejeti. Nekatere moˇzganske funkcije prebivajo bolj v eni moˇzganski polobli kot v drugi. To je lahko vidno iz tega, kaj se zgodi pri moˇzganski kapi in kako to vpliva na doloˇcen del moˇzganov. Na primer:
veˇcina ljudi ima nadzor nad uˇcenjem jezikov v levi polobli, v desni polobli se nadzoruje gibanje leve roke in noge (in obratno). Poˇskodba sprednjega dela moˇzganov je povezana z zmanjˇsano motivacijo, teˇzavami pri naˇcrtovanju in oslabljeno kreativnostjo, medtem ko zadnji del moˇzganov (zatilje) vkljuˇcuje
vizualne informacije iz oˇcesa. Poˇskodba tega obmoˇcja lahko povzroˇci delno ali popolno slepoto. To je le nekaj primerov, kako so nekateri deli moˇzganov odgovorni za doloˇcene funkcije. Lokacija je torej pomembna [103][67].
Vse je v nevronskih povezavah. Ko pridobimo senzoriˇcni vnos, se ta obdela in izvede se neka reakcija. Takrat nevroni v moˇzganih zasvetijo z aktivnostjo. Vsaka obdelava zahteva drugaˇcen del moˇzganov, ker pa je del iste nevronske mreˇze, imajo nekatera podroˇcja moˇzganov moˇcnejˇse povezave kot druga. ˇStevilni draˇzljaji, ki jih naˇsi moˇzgani obdelujejo, nimajo le enega pomena, zato za vse ni jasno doloˇcenega podroˇcja v moˇzganih. Naˇsi moˇzgani pogosto poˇsiljajo draˇzljaje iz enega podroˇcja na drugo s pomoˇcjo nevronskih povezav. Obe polobli imata svojo domeno, vendar nimata toliko vpliva na osebnosti, kot se je sprva mislilo. Osebnostne lastnosti so edinstven del vsakih moˇzganov [79].
2.2 O nevroznanosti
Obstaja veliko razliˇcnih vej nevroznanosti, vse od vedenjske, farmakoloˇske, molekularne nevroznanosti in ˇse veˇc. Dve veji, ki sta uporabljeni v diplomski nalogi, sta kognitivna in raˇcunalniˇska nevroznanost. Kognitivna nevrozna- nost se ukvarja z znanstvenim preuˇcevanjem bioloˇskih substratov, na katerih temeljijo kognitivni in duˇsevni procesi in obravnava vpraˇsanja, na primer kako psiholoˇske/kognitivne funkcije odraˇzajo ˇzivˇcne aktivnosti v moˇzganih.
Tipiˇcne metode zbiranja podatkov, ki jih uporabljajo kognitivni nevroznan- stveniki, so nevroslikanje (fMRI, PET), elektroencefalografija (EEG) ter ve- denjska genetika. Nasprotno od kognitivne znanosti je vedenjska nevrozna- nost (znana tudi kot biopsihologija). Ta obravnava vpliv ˇzivˇcnega sistema na pozornost, zaznavanje, motivacijo, uspeˇsnost, uˇcenje in spomin ter nji- hove manifestacije v ˇcloveˇskem vedenju. ˇStudije vedenjske nevroznanosti se osredotoˇcajo na interakcijo moˇzganov in vedenja v resniˇcnem ali simuliranem okolju [83].
Raˇcunalniˇska nevroznanost je eno izmed podroˇcij, ki lahko pomaga razu-
meti, kako smo sposobni razmiˇsljati in obdelovati informacije v naˇsih moˇzganih.
Tudi ta stavek povzroˇci ˇstevilna dejanja v moˇzganih. Konˇcni cilj raˇcunalniˇske nevroznanosti je razloˇciti, kako se elektriˇcni in kemiˇcni signali uporabljajo v moˇzganih za predstavitev in obdelavo informacij. Pojasnjuje biofiziˇcne me- hanizme raˇcunanja v nevronih, raˇcunalniˇske simulacije nevronskih vezij in modele uˇcenja [83]. Pred zaˇcetkom branja tega poglavja se ˇclovek lahko vpraˇsa zakaj mora to prebrati, kaj se lahko iz tega nauˇci, ali mu bo ta vse- bina pripomogla k razumevanju, kako se moˇzgani odzivajo in reˇsujejo teˇzave v razliˇcnih situacijah. Gre za matematiˇcne, kemiˇcne enaˇcbe, permutacije, ki se dogajajo v naˇsih moˇzganih. V zadnjih nekaj letih so razvijalci pridobili navdih iz raˇcunalniˇske nevroznanosti, ki izhaja iz teoretiˇcnega razumevanja nevroznanosti, za algoritme ali modele, ki se uporabljajo na veˇc podroˇcjih nevronskih mreˇz/raˇcunalniˇskega vida. O moˇzganih vemo naslednje: so hi- tri, inteligentni, vnaˇsajo podatke iz okolja, nato se zgodijo razliˇcne kemiˇcne reakcije in konˇcno nam dajo reˇsitev ali izhod [68].
Izraz raˇcunalniˇska nevroznanost je na konferenci prviˇc uporabil Eric L.
Schwartz [16] za zagotovitev pregleda nad podroˇcjem, ki je bilo do takrat omenjeno z razliˇcnimi imeni, kot na primer nevralno modeliranje, teorija moˇzganov in nevronske mreˇze. Kasneje sta Hubel in Wiesel odkrila delova- nje nevronov ˇcez mreˇznico v primarni vidni skorji. Poleg tega veˇcina nevro- znanstvenikov tesno sodeluje z eksperimentalci pri analizi razliˇcnih podatkov in sintetizaciji novih modelov bioloˇskih pojavov. Nevroznanost zajema pri- stope, ki segajo od molekularnih in celiˇcnih ˇstudij do ˇcloveˇske psihofizike in psihologije. Namen raˇcunalniˇske nevroznanosti je opisati, kako se elektriˇcni in kemiˇcni signali uporabljajo v moˇzganih za razlago in obdelavo informacij.
Ta namen ni nov, vendar se je v zadnjem desetletju veliko spremenilo. Zdaj se o moˇzganih ve veˇc zaradi napredka v nevroznanosti in na drugih podroˇcjih.
Na voljo je veˇc raˇcunalniˇske moˇci za izvajanje realistiˇcnih simulacij nevron- skih sistemov, nova spoznanja se ˇcrpajo tudi iz preuˇcevanja poenostavljenih modelov velikih mreˇz nevronov [83].
Razumevanje moˇzganov je izziv, ki privablja vedno veˇcje ˇstevilo znanstve-
nikov iz ˇstevilnih strok. ˇCeprav je v zadnjih nekaj desetletjih priˇslo do veliko odkritij v povezavi z zgradbo moˇzganov na celiˇcni in molekularni ravni, ˇse vedno popolnoma ne razumemo, kako nam ˇzivˇcni sistem omogoˇca, da vidimo, sliˇsimo, se uˇcimo, si zapomnimo in naˇcrtujemo doloˇcena dejanja. Obstajajo pa ˇstevilna podroˇcja, ki uporabljajo raˇcunalniˇsko nevroznanost [83]:
• teorija informacij;
• ˇcloveˇska psihologija;
• medicinske vede;
• mentalni modeli;
• raˇcunalniˇska anatomija;
• globoko uˇcenje, umetna inteligenca in strojno uˇcenje.
Druˇstvo za nevroznanost je najveˇcja svetovna organizacija znanstvenikov in fizikov, ki se ukvarja z razumevanjem moˇzganov in ˇzivˇcnega sistema. Po mnenju druˇstva za nevroznanost so bistvena naˇcela nevroznanosti [108]:
1. Moˇzgani so najbolj zapleten organ telesa.
2. Nevroni komunicirajo z uporabo elektriˇcnih in kemiˇcnih signalov.
3. Genetsko doloˇcena vezja so temelj ˇzivˇcnega sistema.
4. ˇZivljenjske izkuˇsnje spremenijo ˇzivˇcni sistem.
5. Inteligenca se spreminja, ko moˇzgani naˇcrtujejo in reˇsujejo probleme.
6. Moˇzgani omogoˇcajo komunikacijo.
7. ˇCloveˇski moˇzgani nas obdarijo z radovednostjo, da razumemo, kako deluje svet.
8. Temeljna odkritja spodbujajo zdravo ˇzivljenje in zdravljenje bolezni.
Uporaba nevroznanosti je zabeleˇzila velik porast na razliˇcnih raziskoval- nih podroˇcjih. 10 najbolj raziskovanih podroˇcij po mnenju oddelka za psi- holoˇske in moˇzganske vede [95] so:
• psihiatrija, vedenjske vede;
• fiziologija;
• farmakologija, farmacija;
• biokemija, molekularna biologija;
• psihologija, metabolizem;
• radiologija, nuklearna medicina, medicinsko slikanje;
• oftalmologija;
• zoologija;
• imunologija;
• geriatrija, gerontologija.
To ˇse ne pomeni, da nevroznanost ni vplivala na komercialne aplikacije na podroˇcjih, kot so uporabniˇska izkuˇsnja, interakcije stroj–ˇclovek, vedenje potroˇsnikov in nevromarketing. Vse veˇc primerov komercialne uporabe upo- rablja moˇc nevroznanosti za pridobitev konkurenˇcne prednosti [95].
2.3 Raˇ cunski modeli za razumevanje moˇ zganov
Razumevanje moˇzganov s pomoˇcjo nevronov je teˇzavno vpraˇsanje, vˇcasih ni moˇzno napovedati, kako se ljudje/moˇzgani odzovejo v razliˇcnih scenarijih, kljub temu da so izpostavljeni rutinskim aktivnostim. V nevronih se shrani veliko informacij glede na dejanja, ki so se zgodila. Vpraˇsanje je torej, kako nekdo pretvori podatke v informacije? Obstajajo trije raˇcunski modeli za
razumevanje moˇzganov, ki pojasnjujejo tri vpraˇsanja: Kaj, kako in zakaj.
Gre za opisni, mehaniˇcni ter interpretativni model [81].
Opisni model odgovarja na vpraˇsanje Kakˇsni so nevronski odzivi na zunanje draˇzljaje?. Ti modeli lahko ohlapno temeljijo na biofiziˇcnih, ana- tomskih in fizioloˇskih ugotovitvah, vendar je njihov glavni namen opisati pojave, ne pa jih pojasnjevati [81]. Dve glavni lastnosti opisnih modelov sta [81]:
• doloˇcajo, kako opisati podatke z nevronskim kodiranjem;
• doloˇcajo tudi, kako lahko s tehnikami nevronskega dekodiranja prido- bivamo informacije iz nevronov.
Mehaniˇcni modeli nasprotno obravnavajo vpraˇsanje Kako ˇzivˇcni sis- temi delujejo po znani anatomiji, fiziologiji in vezjih?. Takˇsni modeli pogo- sto tvorijo most med opisnimi modeli na razliˇcnih ravneh [81]. Dve glavni lastnosti mehaniˇcnih modelov sta [81]:
• Kako lahko simuliramo vedenje enega nevrona v raˇcunalniku?
• Kako simuliramo mreˇzo nevronov?
Interpretativni modeli uporabljajo raˇcunska in informacijska teore- tiˇcna naˇcela za raziskovanje vedenjskega in kognitivnega pomena razliˇcnih vidikov funkcionalnosti ˇzivˇcnega sistema, pri ˇcemer obravnavajo vpraˇsanje Zakaj ˇzivˇcni sistem deluje tako, kot deluje? [81]. Dve glavni lastnosti inter- pretativnih modelov sta [81]:
• Zakaj moˇzgani delujejo tako, kot delujejo?
• Katera raˇcunska naˇcela so uporabljena?
Glavni problem zanimanja v diplomski nalogi je problem vizualnega za- znavanja. V naslednjem poglavju opravimo analizo funkcionalnosti vidne skorje vkljuˇcno s predstavitvijo ˇcasovnice raziskav. Vidna skorja se nahaja v moˇzganih in v njej se konˇcuje vidna pot [93].
Vizualni sistem in vizualna obdelava
Nekatere veje znanosti so se za svoja odkritja moˇcno naslonile na preuˇcevanje ˇzivali. Tudi psihologi, ki preuˇcujejo ˇcloveˇski um, so za ˇstudije uporabljali ˇsimpanze, jih uˇcili znakovnega jezika ali jih vzgajali kot ”otroke”, da bi videli, kako se obnaˇsajo kot udomaˇcene ˇzivali [103]. Maˇcke, kot vzorˇcni organizem, so prejele veliko manj pozornosti, verjetno zato, ker ne bi radi razmiˇsljali o uporabi hiˇsnih ljubljenˇckov v poskusih. Branje o nekaterih poskusih, ki so jih prestale maˇcke, lahko povzroˇci resniˇcno nelagodje. Ampak za tolaˇzbo se je pomembno zavedati, da so odigrale kljuˇcno vlogo v napredovanju nevro- znanosti dvajsetega stoletja [103].
3.1 Funkcionalnosti vidne skorje
Vidna pot je predstavljena na sliki 3.1. Informacije iz dela mreˇznice prehajajo na drugo stran moˇzganov, tako da levo vidno polje vidi desna polobla in obratno. Obe oˇcesi imata dostop do polnega vidnega polja – obe oˇcesi gledata tako levo kot desno vidno polje. Pri predstavitvi poˇskodb vidnega ˇzivca, optiˇcnega trakta in optiˇcnega hiasma je vidna povezava med levo in desno moˇzgansko poloblo in kako ta vpliva na levo in desno vidno polje.
13
Slika 3.1: Vidna pot v vidni skorji [37].
Slika 3.2: Lokacija poˇskodb [37].
Poˇskodba desnega vidnega ˇzivca (lokacija poˇskodbe je na sliki 3.2 - A) pomeni izgubo vida za levo in desno vidno polje na desnem oˇcesu. Poˇskodba optiˇcnega trakta (lokacija poˇskodbe je na sliki 3.2 - B) pomeni izgubo levega vidnega polja na obeh oˇcesih. Pri optiˇcnem hiasmu vlakna iz polovice vsake mreˇznice preidejo na nasprotno stran moˇzganov. Informacije iz dela mreˇznice bodo preˇsle na drugo stran; tako loˇcimo levo in desno vidno polje. Poˇskodba optiˇcnega hiasma (lokacija poˇskodbe je na sliki 3.2 - C) pomeni izgubo levega vidnega polja v levem oˇcesu in desnega vidnega polja v desnem oˇcesu. Obe odprti oˇcesi ˇse vedno vidita celotno vidno polje, takoj ko se zapre eno oko pa veˇc ni moˇzno videti polnega vidnega polja [37].
Za vsak del vidnega polja je v vidni skorji ustrezen del. Predmeti, ki so v osrednjem vidnem polju, so obdelani s konico zatilnega reˇznja; predmeti v okolici (ne v sredini) so obdelani v veˇc sprednjih delih vidne skorje. Znanstve- niki so to raziskali s poskusi fMRI [24]. Sorazmerno veliko veˇc vidne skorje je namenjene obdelavi v osrednjem delu kot obdelavi na obrobju. Posledica tega je, da so stvari, ki so predstavljene na obrobju, bolj slabo vidne. Kadar zaradi preveˇc gneˇce ni moˇzno videti predmeta, je potrebno premakniti oˇci tako, da je pogled neposreden s sprejemnimi polji z visoko ostrino.
V vidni skorji obstajata dve vrsti celic – enostavne in kompleksne celice.
Odzivne lastnosti nevronov v vidni skorji sta definirala Hubel in Wiesel [12].
Enostavne celice se prednostno odzivajo na ˇcrte, ki imajo doloˇceno usmeri- tev. Ko je blisk svetlobe pod pravim kotom, se aktivnost vseh teh ganglijskih celic mreˇznice povzame na celici v vidni skorji. ˇCe ˇcrta nima prave usme- ritve, bo sploˇsni odziv enostavne celice v vidni skorji ˇsibkejˇsi. Bliˇzje kot je k usmeritveni celici, bolj moˇcnejˇsi je odziv. Z oddaljevanjem od primerne usmeritve bo odziv ˇsibkejˇsi. To naˇcelo se imenuje orientacijska krivulja, kjer se enostavne celice odzivajo na bele ˇcrte na ˇcrnem ozadju ali ˇcrne ˇcrte na belem ozadju. Kompleksne celice se odzivajo tako na temno ˇcrto na belem ozadju kot na belo ˇcrto na ˇcrnem ozadju (enostavne celice se odzivajo le na eno od dveh moˇznosti). Odzivajo se ne glede na kontrast, kakor tudi na utripajoˇco ˇcrto kjer koli na sprejemnem polju. Prilagoditev oˇcesa se zgodi, ko nekdo gleda vzorec ˇcrt za doloˇcen ˇcas. Nevroni se bodo ”utrudili” in to ravnovesje premaknili v nasprotno smer. To pomeni, da orientacijo kodira veˇc nevronov. Prilagoditve se zgodijo v vidni skorji. Zato imamo v njej or- ganizatorje. Ti sprejemajo signal iz enega oˇcesa (signal obeh oˇces je na tej toˇcki ˇse vedno loˇcen). Plasti z desnega oˇcesa poˇsiljajo informacije v vidno skorjo, ki prejme informacije le z desnega oˇcesa (enako kot za levo oko). In- formacije iz magnocelularne in parvocelularne poti so ˇse vedno loˇcene v vidni skorji. Magnocelularna potprojicira informacije v parietalni reˇzenj (kje) in te informacije se uporabljajo za obdelavo prostora in gibanja. Parvocelularna pot projicira informacije v temporalni reˇzenj (kaj) za obdelavo predmetov.
Za doloˇcanje usmerjenosti se uporabljajo orientacijski stolpci [37].
3.2 Casovnica raziskav vidne skorje ˇ
Za zaˇcetna poroˇcila Hubela in Wiesela [12] so pokazali najveˇc zanima- nja tisti, ki jih zanima optika in vizualno zaznavanje. Gre za vse tiste na razliˇcnih podroˇcjih, ki jih zanima vid. V kratkem ˇcasu je njuno delo postalo srediˇsˇce veˇcine preiskav vizualne obdelave pri maˇckah in nato pri opicah. Navduˇsenje nad njunimi eksperimenti je mogoˇce bolje oceniti, ˇce upoˇstevamo preseˇciˇsˇce znanja v takratnem ˇcasu, zbranega o vizualnem za- znavanju, do njunega velikega odkritja. Gre za zanimanje o moˇzganskih mehanizmih, na katerih temelji to zaznavanje, in presenetljivo pomanjkanje znanja o nevronski obdelavi onkraj mreˇznice, ki bi lahko bila podlaga za to zaznavanje.
Skupina, ki se je posebej zanimala za zaznavanje, so bili raziskovalci, ki so odkrili veliko opaˇzanj o vedenju in so nato ˇzeleli razumeti, kako moˇzgani proizvajajo to vedenje. Do sredine 19. stoletja so preiskave v laboratorijih postavile temeljeeksperimentalne psihologije, tako da se je do petdesetih let nabralo stoletje vedenjskih opaˇzanj. Med njimi so bile pomembne ˇstudije o vizualni stimulaciji in zaznavanju. Psihofiziki so preuˇcevali zaznavanje vida z uporabo nadzorovane vizualne stimulacije in natanˇcnih meritev vedenjskih presoj, preuˇcevali pa so tudi ˇsiroko paleto vidnih pojavov, vkljuˇcno z obilico zanimivih vizualnih iluzij, pri katerih gre za zatiranje odziva nevronov [1].
Raziskovalci so v zaˇcetku 20. stoletja ustvarili drugo vrsto vizualnih eks- perimentov. Namesto da bi se osredotoˇcili na elemente vizualnega zaznava- nja, so poudarili celoto tega zaznavanja. Na primer navidezno gibanje med kratko utripajoˇcimi pikami svetlobe temelji na celotnem zaznavanju in ne na zaznavanju posameznih bliskavic. To je bil povsem drugaˇcen pristop k razlagi vizualne percepcije, vendar je tudi to privedlo do zanimanja za moˇzganske mehanizme, kot je prikazano v poskusu v nadaljevanju [58].
Drugo zanimanje za nevronske mehanizme je spodbudila objava knjige z
naslovom ”The Organization of Behaviour” [102]. V tej knjigi je znanstvenik Donald Hebb predstavil svoje ideje o moˇzganski organizaciji, ki temelji na vedenju in to ne na logiˇcnih diagramih, temveˇc naorganizaciji nevronskih vezij. Njegove ˇsiroko brane ideje o celiˇcnih sklopih in faznih zaporedjih, ˇceprav temeljijo na hipotetiˇcnih nevronih, so spodbudile k razmiˇsljanju o tem, kako bi lahko nevrone organizirali tako, da ustvarjajo zapleteno vedenje.
V tem primeru je bilo to veˇcinoma usmerjeno v uˇcenje in spomin, spodbujalo pa je tudi zanimanje v nevronske mehanizme za vizualno zaznavanje [102].
Koliˇcina zanimanja za zaznavanje in moˇzne moˇzganske mehanizme, ki so v ozadju, se je ujemala z redkostjo fizioloˇskih informacij, zlasti na nevronski ravni. Vizualno aktivnost so obiˇcajno beleˇzili na temenih ljudi. Prostorski prikaz vidnega polja v primarni vidni skorji sta pri maˇcki in opici ugotovila Talbot in Marshall, ki sta opozorila na poveˇcanje velikosti vidnega polja med mreˇznico in skorjo [99].
Bishopje raziskoval vidno skorjo, vendar se je osredotoˇcil naporazdeli- tev vlaken, ki projicirajo v skorjo[8]. Z Margaret Claire pa sta razˇsirila podroˇcje skorje, kjer je bilo mogoˇce pridobiti odziv [8][9]. Tako sta identifici- rala prvo funkcionalno opredeljeno obmoˇcje [10]. Laboratorij Richarda Junga je posnel posamezne nevrone v vidni skorji maˇck, vendar se je osredotoˇcil na le en del nevronov, ki so odkrivali in se odzvali na svetlobne draˇzljaje [54].
Kljub temu da je veliko znanstvenikov raziskovalo vidno skorjo, niso od- krili, kaj ta zares poˇcne. Nastali so poskusi za povezovanje vizualne fiziologije ter zaznavanja, vendar so bili moˇcno omejeni zaradi razpoloˇzljivih tehnik.
Primer enega najboljˇsih med njimi je poskus Kohlerja in Helda [58], ki po- nazarja zanimanje za nevronske mehanizme, na katerih temelji zaznavanje.
Kohler in Held sta med premikanjem vzorca po zaslonu ugotovila odklon napetosti. Slika 3.3, ponazarja prikaz moˇzganske dejavnosti, na kateri temelji vizualno zaznavanje, ter tehnike, ki so na voljo za prouˇcevanje te dejavnosti.
V poskusu je bil nad toˇcko fiksacije prepuˇsˇcen ”svetel gibljivi predmet”. Na sliki je prikazan zapis gibljivega grafikona dejavnosti, ki jo povzroˇcajo ˇstiri razliˇcne izpostavljenosti predmeta [58]. Njun eksperiment prikaˇze razliko, ki
obstaja med motivacijo za razumevanje nevronske osnove zaznavanja in me- todami, ki so najpogosteje uporabljene za njeno preuˇcevanje. Presenetljivo je, da so bile uporabljene kljuˇcne komponente, ki sta jih Hubel in Wiesel kasneje uporabljala za preuˇcevanje vidne skorje: vizualni draˇzljaji so bili pri- kazani subjektu, medtem ko se oko ni premikalo; ˇslo je za tehniko, ki ni bila velikokrat uporabljena. Manjkalo je le snemanje interpretabilnega signala, ki bi tako pripeljal do razumevanja nevronskih mehanizmov; posneli so signale, povpreˇcne po masi nevronov, podobno kot danaˇsnji fMRI.
Slika 3.3: Odziv ˇcloveˇske vidne skorje na gibljivi vizualni vzorec [58].
Leta 1955 je bil Hubel vpoklican v vojaˇsko sluˇzbo, kjer se je posvetil znanstvenim raziskavam. Njegova specializacija in dolgoletno zanimanje za elektroniko sta ga spodbudila k raziskovanju ˇzivˇcnega sistema. Skupaj z ekipo nevrofiziologov je opravil ˇstudije o vidni skorji pri speˇcih in budnih maˇckah. Hubel je izumil sodobno volframovo mikroelektrodo, podprto s hidravliˇcno krmilno enoto, ki omogoˇca zaznavanje signalov s tega obmoˇcja.
Opazil je, da razliˇcni svetlobni signali stimulirajo posamezne nevrone, drugi pa ostanejo neaktivirani [12]. Hubel je leta 1957 objavil ˇclanek, v katerem je opisal svojo volframovo elektrodo in njeno sposobnost snemanja iz nevtro- nov z eno enoto [44]. Razvita je bila elektroda, ki je zadovoljila potrebo po enostavno izdelani ter trpeˇzni napravi. Volframova elektroda je omogoˇcala zahtevne poskuse v osrednjem ˇzivˇcnem sistemu ˇzivali, zlasti v primerih, ko
bi se pipete verjetno zlomile. Do danes je volframova elektroda obiˇcajno orodje, ki raziskovalcem omogoˇca, da prisluhnejo elektriˇcni aktivnosti celic v elektrofizioloˇskih poskusih [44]. Elektroda se uporablja v ˇsirokem spektru nevronskih tehnik, vkljuˇcno s tehnikami nevronske plastiˇcnosti, za snemanje mikroelektrod in lokalizacije mikroelektrod [44]. Leta 1958 je skupaj s Hop- kinsom zaˇcel sodelovati z ekipo pod vodstvom Kufferja. Tam je zaˇcel tesno sodelovati s Wieselom, s katerim je odkril organizacijo v vidni skorji.
V tej ˇcasovnici je mogoˇce oceniti vpliv vsega, kar je bilo odkrito do Hu- belovega in Wieselovega prvega prispevka leta 1959 [47]. Uvod je posta- vil ton: V osrednjem ˇzivˇcevju vizualna pot, od mreˇznice in do vidne skorje, ustvari priloˇznost za opazovanje in primerjanje odzivov posameznih enot na veˇc razliˇcnih nivojih. Vzorci svetlobnih draˇzljajev, ki najuˇcinkoviteje vpli- vajo na enote na eni ravni, na naslednji ravni morda ne bodo veˇc najbolj uˇcinkoviti. Iz razlik v odzivih na zaporednih stopnjah se lahko upa, da bomo bolje razumeli vlogo, ki jo ima vsaka stopnja v vizualnem zaznavanju. ˇZe ta uvodni odstavek bi lahko pritegniti vsakega psihologa, ki ga zanimajo moˇzgani, in vsakega fiziologa, ki ga zanima obdelava podatkov na viˇsjih rav- neh v moˇzganih. Kot navaja njun uvod, eksperimenti Hubela in Wiesela niso temeljili na hipotezah o mehanizmih zaznavanja ali ˇzivˇcni aktivnosti, ki so ˇze zabeleˇzeni iz vidne skorje, temveˇc na opaˇzanjih o konˇcnem vnosu v oˇcesno skorjo, mreˇznico. Gradila sta na delu njunega mentorja Kufflerja, ki je identificiral ganglijske celice v in zunaj srediˇsˇca v mreˇznici maˇck ter organizacijo teh celic v srediˇsˇcu in okolici. ˇSe pomembneje je, da sta gradila na Kufflerjevem postopku iskanja draˇzljaja, potrebnega za aktivacijo vsakega od vnosnih nevronov [47][59].
Hubel in Wiesel stazabeleˇzila elektriˇcno aktivnost posameznih ne- vronovv moˇzganih maˇck. Z diaprojektorjem sta maˇckam prikazala doloˇcene vzorce in ugotovila, da specifiˇcni vzorci spodbujajo aktivnost v doloˇcenih de- lih moˇzganov. Takˇsni posnetki, kjer so se nevroni odzivali, so bili takrat inovacija, ki jo je omogoˇcil prejˇsnji Hubelov izum posebne snemalne elek- trode. S temi poskusi so sistematiˇcno ustvarili matriko vidne skorje. Origi-
nalni filmski projektor, svetlobni filtri in diapozitivi so v Anatomskem muzeju Warren v Medicinski knjiˇznici Countway [103]. Sprva se je zdelo, da niˇc ne vznemirja nevronov: preprosto se niso ˇzeleli odzvati. Hubel in Wiesel sta zapravila mesece za brezplodne poskuse. Kot popolno nakljuˇcje se je dia- pozitiv zataknil v projektorju in takrat se je konˇcno sproˇzil nevron. Kmalu sta ugotovila, da se nevron odziva na ostro senco, rob diapozitiva, ki je bil viden na zaslonu [103]. Nadaljnje delo [103] je pokazalo, da je to dejansko sploˇsno naˇcelo vidnih nevronov: ne glede na to, kakˇsno obliko gledajo naˇse oˇci (spirala, krivulja) – ko vhod doseˇze naˇso primarno vidno skorjo, tam ne- vroni razdelijo to sliko na segmente ˇcrt. Kot da je vse, kar vidimo okoli nas, v obliki palˇcke. Preden je bilo to ugotovljeno s poskusom nad maˇckami, nihˇce ni niti slutil te moˇznosti. Razkrili so tudi drug kritiˇcni del: da premiˇcne slike vidimo veliko laˇzje kot mirujoˇce slike. To je zato, ker je evolucijsko gle- dano verjetno bolj pomembno, da ˇzivali, kot so maˇcke, opazijo premikajoˇce se stvari (pse, miˇsi, avtomobile) kot statiˇcne stvari. Pravzaprav je ˇzivalski vid, vkljuˇcno s ˇcloveˇskim, tako pristranski do gibanja, da tehniˇcno sploh ne vidimo mirujoˇcih predmetov. ˇCe ˇzelimo videti nekaj mirujoˇcega, se morajo naˇsi moˇzgani pretvarjati, da se predmet vsaj malo premika. Poskusi [103]
kasnejˇsih znanstvenikov, ki so gradili na Hubelovem in Wieselovem delu, so dokazali, da ˇce se slika umetno stabilizira na mreˇznici s kombinacijo posebnih kontaktnih leˇc in mikroelektronike, slika popolnoma izgine. Raziskava je bila izvedena z uporabo mikroelektrode, ki so jo dali v vidno skorjo maˇck. ˇZivali so bile podvrˇzene slikam, svetlobi in temi. Posamezni nevroni so se razliˇcno odzivali na razliˇcne svetlobne oblike in na grafiˇcne elemente, kot so pravo- kotniki, z razliˇcnimi koti nagiba. Zaradi teh ugotovitev sta Hubel in Wiesel hierarhizirala celice v skorji [12]. Elektriˇcni in kemiˇcni signali, zabeleˇzeni v celicah, ki mreˇznico povezujejo z moˇzgani, so bili pretvorjeni v zvoˇcne signale.
Ti zvoˇcni signali niso bili neprekinjeni, predvajali so se le, ko se je nevron odzval. Tako je bilo moˇzno vzpostavil temeljno razumevanje, kako nevroni izloˇcajo informacije, ki jih oddaja mreˇznica, in nato je bilo moˇzno razloˇziti, kako lahko vidni nevroni oblikujejo sliko. Ta eksperiment je postavil temelj
za poglobljeno raziskovanje nevroznanosti [25].
Osrednja toˇcka njune prvotne ugotovitve leta 1959 [47] je bila, da je usmerjena svetloba, v obliki ˇcrt, najuˇcinkovitejˇsi draˇzljaj za aktiviranje vidne moˇzganske skorje v nasprotju s svetlobnimi pikami, ki jih je Kuffler podal kot dovolj uˇcinkovite za ganglijske celice. Todaorientacijska selektivnost je bila posledica prejˇsnje ravni vnosa, kjer se je nevron, ki se je odzval na obliko ˇcrte, odzval tudi na svetlobne pike, ˇce so bile te poravnane z isto usmeritvijo kot ˇcrta. Tako sta na desetih slikah pokazala razliko odziva v bolj uporabljenih draˇzljajih v primerjavi z mreˇznico, kakor tudi, kako je moˇzno pridobiti kortikalni odziv iz niˇzje ravni in kakˇsen je prispevek razliˇcnih regij vhodnih nevronov [59].
Ti poskusi so prvi vpogled v to, kako lahko spremembe v nevronskih od- zivih vodijo do razumevanja nevronskih mehanizmov, na katerih temelji za- znavanje. Za tiste, ki jih je zanimalo vizualno vedenje, je bil to prvi vpogled v nevronsko aktivnost, ki je tako spodbudila njihovo razmiˇsljanje o moˇzni orga- nizaciji nevronov za vizualno zaznavanje. Enako pomembni, a manj kritiˇcni, so bili tudi za tiste, ki jih je zanimalo vedenje. Gre za natanˇcen prikaz, kje je bila orientacijska obdelava organizirana v stolpce nevronov znotraj skorje, podobno kot je to v somatosenzoriˇcni skorji ˇze pokazal Mountcastle [47][72].
Drug vidik zaˇcetnih poskusov je izzval ˇse veˇcje zanimanje: razliˇcne tipe nevronov v vidni skorji je mogoˇce obravnavati kot stopnje v hierarhiji.
Zaporedje od mreˇznice do skorje je bilo razvidno iz ˇclanka iz leta 1959 in v njunem drugem ˇclanku [48] sta pokazala, da je znotraj vidne skorje mogoˇce ugotoviti nadaljnjo stopnjo obdelave med nevroni, imenovanimi enostavne celice in kompleksne celice. Obe vrsti sta se odzvali na usmerjene svetlobne ˇcrte, vendar so imele kompleksne celice veˇcjo ˇsirino glede na poloˇzaj in so dale le malo odziva na svetlobne pike. Trdila sta, da bi lahko lastnosti kompleksnih celic bolj izhajale iz kombiniranja vnosov iz podobno usmerjenih enostavnih celic kot iz celic s kroˇznimi sprejemljivimi polji. Ta dva koraka sta bila ponazorjena s preprostima logiˇcnima diagramoma povezav, ki sta vidna na sliki 3.4. Ta dva diagrama na sliki 3.4 prikazujeta zaporedje, predlagano za
konstrukcijo dovzetnih vrst, vidnih v skorji maˇck.
• Zgornja slika (A) je shema, ki razlaga organizacijo kompleksnega do- vzetnega polja. Prikazane so tri celice, ki projicirajo v eno samo celico.
Vsak nevron ima dovzetno polje, razporejeno, kot je prikazano na levi strani: obmoˇcje vznemirjenja se nahaja na levi strani navpiˇcne ˇcrte, obmoˇcje zaviranja pa je na desni strani ˇcrte. Prekinjene ˇcrte predsta- vljajo meje dovzetnega polja. Vsak draˇzljaj znotraj pravokotnika bo vznemiril tri celice, ki to nato projicirajo na eno celico.
• Spodnja slika (B) je shema, ki razlaga organizacijo preprostega dovze- tnega polja. V zgornjem desnem kotu slike so prikazane ˇstiri celice, ki imajo dovzetna polja razporejena v ravnini na mreˇznici. Te projicirajo na eno samo celico. Dovzetno polje celice ima podolgovato sredino, ki je vidna na levi strani slike in je oznaˇcena s prekinjenimi ˇcrtami.
Zaporedje od mreˇznice do skorje in nato znotraj skorje je pokazalo, kako lahko zaporedje nevronov v nekaj sinapsah (stiˇciˇsˇce med dvema nevronoma) predstavlja stopnje vizualne obdelave.
Slika 3.4: Diagrami zaporedja vizualne obdelave v vidni skorji [48].
Ugotovitve Hubela in Wiesela niso bile zgolj napredek, temveˇc tudi velik preskok v razumevanju vidne skorje. Pokazala sta, kako se slika na mreˇznici spremeni v orientacijsko obˇcutljivost v skorji. Orientacijska obˇcutljivost je
pojav vizualne obdelave, pri katerem so doloˇcene usmeritve linij hitreje in laˇzje obdelane kot druge usmeritve. Za tiste, ki jih zanimajo mehanizmi za- znavanja, je njun prikaz zaporednih transformacij omogoˇcil vpogled v to, kako lahko zaznavanje izhaja iz organizacije kortikalnih nevronov. Na fizioloˇski ravni je privedlo do razmiˇsljanja o korakih preko vidne skorje [45][50][49] in o naravi transformacij na viˇsjih obmoˇcjih skorje [6]. Tako so eksperimentalni rezultati in hipoteze, ki temeljijo na njih, zaˇceli zapolnjevati luknje med znan- stveniki, ki iˇsˇcejo mehanizme vizualne percepcije, in nevronsko aktivnost, ki bi lahko zagotavljala take mehanizme.
3.3 Potrditev ugotovitev Hubela in Wiesela
Vsi poskusi Hubela in Wiesela so bili opravljeni na anesteziranih, paralizira- nih ˇzivalih, najprej na maˇckah in nato na opicah. To je zagotovilo stabilnost snemanja posameznih nevronov in stacionarno mreˇznico, tako da so zapore- dni vidni draˇzljaji padali na isto regijo mreˇznice. Odpravljeni so bili hitri ali skokoviti gibi oˇci [110]. Eden od naslednjih korakov pri nadgradnji odkritij Hubela in Wiesela je bilo raziskovanje, kako deluje vidni sistem pri budni ˇzivali. Za odgovor na ˇstevilna vpraˇsanja o vizualnem zaznavanju in vizual- nem nadzoru gibanja je bila potrebna ˇzival, ki se je lahko odzvala na vizualne draˇzljaje. ˇZival, ki je bila izbrala za te poskuse, je bila opica in ne maˇcka, saj je opica sposobna opravljati zapletene naloge in njen vidni sistem jebolj po- doben ˇcloveˇskemu. Zapisi so bili na zaˇcetku opravljeni na vidni skorji budnih opic leta 1966, ˇceprav takrat niso bili prepriˇcani, da bo opica podobna maˇcki.
Snemali so jih s pomoˇcjo preizkuˇsenih tehnik. Pri prvem prouˇcevanju spanja in motoriˇcne skorje opic je Evartsrazvil tehniko drˇzanja glave na mestu in na lobanjo pritrdil podnoˇzje, ki je omogoˇcalo vnos mikro elektrode v skorjo, in uporabo mikro diska, ki je bil pritrjen na dno za premik elektrode [71].
Njegov mikro disk in implantirana osnova sta bili modifikaciji tiste, ki jo je zasnoval David Hubel, ko je posnel vedenje vidne skorje budne maˇcke, ki je prosto premikala oˇci [51]. Ugotovitev Hubela, da se je veliko nevronov, ki se
niso odzvali na svetlobne draˇzljaje v obliki ˇcrt, odzvalo na majhne pike [47], je bilo zasenˇceno s poroˇcilom o sistemu snemanja anesteziranih maˇck, ki se je pojavilo istega leta [110].
Problem budne opice so bili prav tako gibi oˇci. Ne da bi se spuˇsˇcali v podrobnosti, se je izkazalo, da je bil ta problem reˇsljiv. Opice so nauˇcili, da se fiksirajo na tarˇco in zaznajo zatemnitev. S to tehniko so bile opice nagrajene za nekaj sekund osredotoˇcanja, znanstveniki pa so imeli teh nekaj sekund, v katerih so lahko opazovali sprejemno polje nevrona. Po nagradi opica ni bila veˇc osredotoˇcena, tako se je sprejemno polje premikalo z oˇcesom. Celoten postopek se je znova zaˇcel med naslednjim osredotoˇcanjem. Metoda vedenja budnih opic je bila enaka tisti, ki jo je uporabil Fuchs [30], le da je opico nagrajeval za premikanje oˇci [110]. Eksperimentalni pogoji so bili pribliˇzno primerljivi s pogoji Hubela in Wiesela, da bi se lahko jasno pokazale ˇstevilne razlike, ki so bile priˇcakovane v budnem poloˇzaju v primerjavi z anestezirano ˇzivaljo.
Zaˇcetna raziskovanja so pokazala, da je pri budni opici z normalnim gi- banjem oˇci med fiksacijo vida mogoˇce zlahka prepoznati nevrone, ki so se najbolje odzvali na usmerjene draˇzljaje. Mogoˇce je tudi loˇciti celice s pre- prostimi dovzetnimi polji od tistih s kompleksnimi dovzetnimi polji in pre- prosta dovzetna polja so lahko zaˇcrtana s svetlobnimi pikami [110]. Slika 3.5 prikazuje preprosto celico iz poroˇcila o maˇckah [47] in iz poroˇcila o opicah.
Primerjava na sliki 3.5 ponazarja podoben odziv na usmerjene svetlobne ˇcrte pri anesteziranih, paraliziranih maˇckah (A) in budnih opicah (B). Primer budne opice kaˇze enako nastavitev orientacije, vendar nekoliko viˇsjo stopnjo obdelave kot pri anestezirani maˇcki [110]. Primer nevrona opic je bil tisti, ki je jasno pokazal orientacijsko selektivnost, ki so jo prej naˇsli pri maˇcki. Vidne so tudi usmerjeno selektivne gibalne celice, pa tudi celice, ki niso potrebovale usmerjenih draˇzljajev, obe odkritji iz ugotovitev Hubelovega in Wieselovega poroˇcila o opicah [46].
Slika 3.5: Primer enostavnih celic v vidni skorji anestezirane paralizirane maˇcke (A) in budne fiksirane opice (B) [110].
Osnovna opaˇzanja pri budni opici so bila primerljiva s tistimi, ki sta jih Hubel in Wiesel naˇsla najprej pri anestezirani ohromljeni maˇcki in se niso preveˇc razlikovala. Nevronska aktivnost z viˇsjimi stopnjami vizualne obdelave se ne zgodi toliko v vidni moˇzganski skorji, kolikor se zgodi v vrsti funkcionalno specifiˇcnih podroˇcij, pridobljenih iz tako imenovanega podroˇcja 18 in 19. Raziskovanje teh podroˇcij se je opiralo na uporabo budnih opic, ki omogoˇca primerjavo tako sprememb v vedenjskem delu s spremembami v nevronski aktivnosti kot tudi kadar se nevroni odzovejo zaradi stimulacije.
Te metode so omogoˇcile raziskovanje nevronske aktivnosti, na kateri temelji zaznavanje vida, kognitivno vedenje in nadzor gibanja, ki se je razcvetelo v zadnjih 25 letih. Delo Hubela in Wiesela, ki se je zaˇcelo leta 1959, pa ostaja osnova teh nadaljnjih raziskav [110][94][26].
Model vizualne prilagoditve pri ˇ zivih bitjih
Kot je bilo pojasnjeno v poglavju o vizualnih sistemih in vizualni obdelavi, so nevroznanstveniki naredili prve resniˇcne korake pri razumevanju, kako deluje vid v moˇzganih s preuˇcevanjem maˇck. Toda nevroznanstvenika, odgo- vorna za to delo, Hubel in Wiesel, sta maˇcke uporabljala tudi za preuˇcevanje razvoja moˇzganov, zlasti v otroˇstvu [103]. V tem poglavju analiziramo tudi kritiˇcna obdobja. Kritiˇcno obdobje je ˇcas v zgodnjem postnatalnem obdobju ˇzivljenja, ko sta razvoj in zorenje funkcionalnih lastnosti moˇzganov moˇcno odvisna od izkuˇsenj ali od vpliva okolja [63].
4.1 Delo Hubela in Wiesela
Rezultati preuˇcevanja razvoja moˇzganov, predvsem v otroˇstvu, so bili osu- pljivi. Maˇcke, vzgojene v ”vertikalnem” okolju, so bile slepe za vse ˇcrte, ki imajo vodoravno orientacijo in obratno. Maˇcke, vzgojene v vodoravnem svetu, so lahko videle na primer sedeˇze stolov in so lahko nanje skoˇcile. Toda nog stola sploh niso mogle videti in so se vanje nenehno zaletavale. Maˇcke vertikalnega sveta so imele nasprotni problem – nikoli niso naˇsle prijetnega mesta za dremeˇz [103]. Ti poskusi so zagotovili nekaj prvih in najboljˇsih
27
dokazov o obstoju kritiˇcnih oken v razvoju moˇzganov. Osnovna ideja je, da morajo biti moˇzgani, ki v mladosti ˇse niso oblikovani, ˇze v zgodnjem ˇzivljenju izpostavljeni nekaterim pogledom, sicer bodo za vedno ostali slepi za te po- glede. V tem primeru, kjer maˇcke navpiˇcnega sveta in vodoravnega sveta med kritiˇcnimi okni nikoli niso videle drugaˇcno usmerjenih linij, so njihovi moˇzgani na koncu posvetili vse svoje nevrone vida eni usmeritvi in zanemarili drugo [103]. Nekaj podobnega se lahko zgodi tudi pri ljudeh. ˇSe nihˇce ni bil vzgojen v takˇsnih okoljih. Zanimivo je, da ljudje, ki so vzgojeni v sodobnih mestih, obiˇcajno hitreje opazijo vodoravne in navpiˇcne ˇcrte kot ˇcrte v drugih usmeritvah. V nasprotju s tem ljudje, vzgojeni v nomadskih plemenih, bolje opazijo ˇcrte, ki so poˇsevne v vmesnih kotih, saj se v naravi odkrije ˇsirˇsi nabor linij kot pri veˇcini zgradb [103].
V zgodnjih sedemdesetih letih sta znanstvenika izvedla eksperiment tudi na opicah, da bi razumela, kako se loˇcevanje informacij od desnega in le- vega oˇcesa ohranja vse do vidne skorje, kakor tudi kako se opice odzovejo na prikrajˇsanost vida. Raziskavo sta zaˇcela z vbrizgavanjem radioaktivne ami- nokisline v oko. Aminokisline obiˇcajno sestavljajo predvsem neradioaktivni atomi, vendar je v biokemijskih poskusih koristna zamenjava z radioaktivno obliko atoma, da se radioaktivnost uporabi kot sledilno sredstvo, kam gre aminokislina in morda v kaj se spremeni. To aminokislino so prevzele gan- glijske celice mreˇznice, jih vkljuˇcile v beljakovine in nato prenesle po aksonih teh celic LGN. LGN predstavlja prehod v vidno skorjo. Gre za prvo stopnjo na vizualni poti, ki vpliva na obdelavo informacij. Stransko geniculatno jedro talamusa je organizirano v ˇsestih plasteh. Prvi dve plasti (spodnji plasti), t. i. magnocelularne plasti, so sestavljene iz velikih celic ter pre- jemajo vnose M ganglijskih celic, ki se najbolje odzivajo na velike, hitro premikajoˇce se predmete. Naslednje ˇstiri plasti oziroma t. i. parvocelularne plasti so sestavljene iz manjˇsih celic, ki prejemajo vnose od P ganglijskih celic, ki se najbolje odzivajo na drobne prostorske podrobnosti mirujoˇcih predmetov. Levi LGN prejema informacije iz desnega vidnega polja in obra- tno. Vsaka plast LGN sprejema signal samo iz enega oˇcesa. Na ravni LGN
informacije, ki prihajajo iz obeh oˇci, ˇse niso povezane. V vsaki plasti LGN so nevroni razporejeni v matriko vidnega polja, kar pomeni, da se ganglijske celice mreˇznice s sosednjimi sprejemnimi polji poveˇzejo s sosednjimi nevroni v LGN. Za vsak del mreˇznice obstaja ustrezna poravnava z vsako plastjo [88].
Nekatere od teh radioaktivnih beljakovin so nato uspeˇsno preˇsle z aksonov ganglijskih celic in bile vkljuˇcene v celice LGN, ki so obdelovale vizualne in- formacije iz oˇcesa, kamor je bila injicirana radioaktivna aminokislina in od tam so ti proteini potovali po aksonih celic LGN in vstopili v plast primarne vidne skorje. Nato sta Hubel in Wiesel manjˇsa podroˇcja vidne skorje prene- sla na film, obˇcutljiv na sevanje. Nastale slike so prikazovale obmoˇcja, ki so bila pokrita s skupinami srebrnih zrn, kar je kazalo, da so ta obmoˇcja prejela projekcije iz oˇcesa, vbrizganega z radioaktivno aminokislino. Na teh odsekih tkiva sta Hubel in Wiesel ugotovila, da so bili ˇzivˇcni konci v obliki razpo- rejenih pasov (angl. ocular dominance columns). V kasnejˇsih poskusih sta Hubel in Wiesel pokazala, da so prostori med pasovi levega oˇcesa prihajali iz desnega oˇcesa. Raziskovalca sta ugotovila, da so ˇzivˇcni konˇciˇci levega in de- snega oˇcesa v plasti vidne skorje razporejeni v izmeniˇcnih sosednjih pasovih, podobno kot ˇcrte na telesu zebre, vidno na sliki 4.1.
Slika 4.1: Rekonstrukcija ˇzivˇcnih koncev v obliki razporejenih pasov [43].
Koncept kritiˇcnega obdobja igra pomembno vlogo v razpravi, v kolikˇsni meri so naˇse sposobnosti doloˇcene z notranjimi dejavniki, kot so naˇsi geni, ali z zunanjimi dejavniki, kot so izkuˇsnje iz otroˇstva. To ne izvira iz enega
kritiˇcnega obdobja, temveˇc obstajajo razliˇcna kritiˇcna obdobja za razliˇcne moˇzganske funkcije, na primer uˇcenje jezika [103]. Veˇcina dokazov obstoja kritiˇcnega obdobja izhaja iz primerov, kjer popolna odsotnost nekaterih izkuˇsenj v zgodnjem ˇzivljenju prepreˇcuje razvoj ali povezavo moˇzganskih funkcij. Ka- snejˇsa izpostavljenost tem izkuˇsnjam ne more nadoknaditi zgodnejˇse izgube.
Tako imenovani ”divji otroci” (primer Dina Sanichar, Kaspar Hauser, Victor of Aveyron, Genie) so omogoˇcili vpogled zlasti v kritiˇcno obdobje za uˇcenje prvega jezika. Toda razlaga teh primerov je teˇzavna, saj je teˇzko ugotoviti dogodke, ki so pripomogli k njihovi prikrajˇsanosti [63].
4.2 Zaˇ cetek in konec kritiˇ cnega obdobja
V ˇstudijah na ˇzivalih so bile izkuˇsnje zadrˇzane v razliˇcnih ˇcasovnih oknih, da bi se lahko definirala kritiˇcna obdobja za vizualne, sluˇsne in somatosenzoriˇcne modalitete. Najbolj znan primer prikrajˇsanosti, ki sta ga v ˇsestdesetih letih prejˇsnjega stoletja uvedla Hubel in Wiesel, je pokazal, da po ˇsivanju oˇcesnih vek enega oˇcesa v kritiˇcnem obdobju to povzroˇci funkcionalno slepoto v tem oˇcesu, kljub dejstvu, da mreˇznica prikrajˇsanega oˇcesa deluje dobro po po- novnem odpiranju. Kar zadeva sluh, so obseˇzno preuˇcevali razvoj sluˇsnega kanala v srednjih moˇzganih, ki zahteva tudi vizualni vnos, saj notranje uho ne vsebuje prostorskih informacij [63].
Na funkcionalni ravni se zdi, da se razliˇcna kritiˇcna obdobja zaˇcnejo kmalu po tem, ko so ustrezne senzoriˇcne informacije prviˇc na voljo. Kritiˇcno obdobje za vid se zaˇcne takoj po odprtju oˇci pri ˇzivalih, kot so maˇcke ali dihurji, ki so rojene z zaprtimi oˇcmi, ali ob rojstvu pri vrstah, rojenih z odprtimi oˇcmi, kot so ljudje. Podobno se pri sluhu zaˇcne kritiˇcno obdobje za razvoj binauralne integracije v sluˇsnem moˇzganskem deblu (kombinacija razliˇcnih sluˇsnih informacij je predstavljena binauralno ali v vsakem uˇsesu) [52].
Na celiˇcni ravni je bilo do nedavnega nejasno, katere spremembe se poja- vljajo v moˇzganih, ˇce se ˇziva bitja najprej normalno razvijajo, brez ˇcutnega
vnosa, naslednji dan pa se to spremeni, ko se ta senzoriˇcna izkuˇsnja zaˇcne prikrajˇsevati. Na primer orientacija mladih belih dihurjev, vzgojenih v po- polni temi, se razvija skoraj normalno do starosti petih tednov, nato pa se, ko se dihurjem odprejo oˇci, del za orientacijo v vidni skorji v naslednjih nekaj tednih preneha razvijati, ˇce ˇzivali ostanejo v temi [52].
Za zaznamovanje zaˇcetka kritiˇcnega obdobja, vsaj v vidni skorji, so pose- bej zanimive celice, ki uporabljajo nevrotransmiter gama-aminomaslene ki- sline (GABA). ˇCe se njihovo zorenje pospeˇsi, na primer pri miˇsih, ki izraˇzajo prekomeren rastni faktor ˇzivca BDNF, se kritiˇcno obdobje za uˇcinke mo- nokularne prikrajˇsanosti na oˇcesno kortikalo zaˇcne (in konˇca) prej kot pri obiˇcajnih miˇsih. Nasprotno pa temno okolje upoˇcasni zorenje, prenos GABA in nastopa kritiˇcnega obdobja ter podaljˇsa njegovo trajanje. Neposredni dokazi o vlogi GABA nevronov pri nadzoru kritiˇcnega obdobja prihajajo od miˇsi, ki jim primanjkuje encima, potrebnega za sintezo GABA. Te miˇsi so vse ˇzivljenje neobˇcutljive na monokularno pomanjkanje, medtem ko zdravljenje z diazepamom (ki deluje kot GABA agonist) obnovi skorjo [52].
Za kritiˇcno obdobje so znaˇcilne spremembe na ravni sinaptiˇcnega prenosa, kakor tudi strukturne spremembe, ki povzroˇcajokonec kritiˇcnega obdobja. V vidni skorji so spremembe v sestavi receptorja NMDA, ki igra kljuˇcno vlogo pri sinaptiˇcni krepitvi in oslabitvi, povezane z vrsto vizualne izkuˇsnje, ki jo je imela ˇzival v kritiˇcnem obdobju, na primer ali je bila gojena v obiˇcajnem oko- lju ali v temi. Glede na predhodne izkuˇsnje so te spremembe receptorjev do neke mere reverzibilne, dokler se kritiˇcno obdobje konˇca [52]. V kritiˇcnem ob- dobju se preobrat in gibljivost hrbtenice, kjer se nahaja sinaptiˇcna struktura, zmanjˇsujeta, njihovo ˇstevilo in oblika postajata stabilnejˇsa. Gibanje hrbte- nice nadzoruje tkivni aktivator plazminogena (tPA), ki s starostjo upada, v kritiˇcnem obdobju pa ga regulira monokularna deprivacija. Zdi se, da tPA ne doloˇca, ali bodo nastale nove sinapse ali pa bodo obstojeˇce odstranjene – to je lahko odvisno od lokalnih ravni pred- in postsinaptiˇcne aktivnosti [52].
Najpomembnejˇse strukturne spremembe v skorji proti koncu kritiˇcnega obdobja so tiste, ki jih opazimo v zunajceliˇcni matriki, mreˇzi makromole-
kul, ki je med postnatalnim razvojem vse bolj okorela. Glavna sestavina zunajceliˇcne matrike so molekule, ki se agregirajo v mreˇzastih strukturah, ki varujejo zlasti celice GABA, vpletene v nadzor kritiˇcnega obdobja. Pri odraslih podganah je bilo dokazano, da encimska prebava molekul naredi oˇcesno skorjo znova dovzetno za uˇcinke monokularne deprivacije, kar kaˇze na to, da ima zorenje zunajceliˇcne matrike kljuˇcno vlogo pri koncu kritiˇcnega obdobja [52]. Drug dejavnik, ki prispeva h koncu kritiˇcnega obdobja, je poveˇcanje receptorja Nogo-66. Ta aktivira znotrajceliˇcno pot, ki uravnava mreˇzo aktinov/proteinov, odgovorno za migracijo celic, citoplazemsko preta- kanje in tako nadzoruje rast aksonov. Miˇsi, ki nimajo tega receptorja, kaˇzejo probleme z vidom kot odziv na monokularno pomanjkanje ˇze v odrasli dobi [69].
Kritiˇcno obdobje se ne konˇca v trenutku, vendar ˇstevilne ˇstudije poroˇcajo o primerih, ki presegajo tisto, kar bi opredelili kot kritiˇcno obdobje. Ta vrsta primerov lahko pri odraslih temelji na enakih molekularnih mehanizmih kot pri klasiˇcnih kritiˇcnih obdobjih. Senzoriˇcne izkuˇsnje, ki se zgodijo v obdo- bju odraˇsˇcanja, nauˇcijo moˇzgane, da se hitro odzovejo na podobne izkuˇsnje, pridobljene kasneje, tudi v odrasli dobi. ˇSe bolj zanimivo vpraˇsanje je ali se lahko odraslo skorjo postavi nazaj v mladostno stanje, enakovredno stanju v kritiˇcnem obdobju. To bi lahko imelo velik terapevtski pomen, ˇce bi bilo moˇzno pri odraslih popraviti stvari, ki so v otroˇstvu ˇsle narobe pri razvoju moˇzganov. Tak primer je ambliopija, izguba ostrine vida na enem oˇcesu za- radi zgodnjih oˇcesnih nepravilnosti, za katere v odrasli dobi ni na voljo zdra- vljenja. Sprostitev zunajceliˇcne matrike ali blokada receptorja Nogo-66 sta trenutno najbolj obetavni poti raziskav. Vendar ˇse nihˇce ne ve, ali imajo te raziskave neˇzelene stranske uˇcinke. Relativna stabilnost kortikalnega vezja, doseˇzena do konca kritiˇcnega obdobja, je koristna za posameznika, vsaj v normalnih okoliˇsˇcinah, izguba te stabilnosti pa lahko na nepredvidene naˇcine moti delovanje kortikalnih celic [69].
Preuˇcevanje vpliva prikrajˇsanega vida v zgodnjem ˇzivljenju je pri- neslo izjemen vpogled v biologijo kritiˇcnih obdobij. Leta 1981 sta nevrobi-
ologa Hubel in Wiesel prejela Nobelovo nagrado deloma zato, ker sta doka- zala, da pravilen razvoj vizualnega sistema zahteva vizualne izkuˇsnje. Za preuˇcevanje vidnih sistemov pri maˇckah in opicah sta ju motivirala opaˇzanja, da imajo lahko otroci z zgodnjimi pomanjkanji vida vseˇzivljenjske okvare.
Ugotovila sta jasno doloˇceno okno, v katerem je za normalno razvijanje vida potreben vnos skozi obe oˇcesi. V nasprotju z odraslimi ˇzivalmi, na katere obdobje prikrajˇsanja vida ne vpliva, se pri mladih ˇzivalih, ˇce v kritiˇcnem obdobju za prevlado oˇcesa eno oko ostane zaprto (prikrajˇsano), razvije am- bliopija – slabovidnost v tem oˇcesu. Presenetljivo je tudi to, da ko se raz- vije ambliopija, pokrito oko ni poˇskodovano. Namesto tega se moˇzganske strukture, ki sluˇzijo temu oˇcesu, skrˇcijo, ta del pa prevzamejo celice, ki da- jejo prednost drugemu oˇcesu [19]. Od odkritij Hubela in Wiesela je vpliv monokularne deprivacije na vidnem korteksu postal klasiˇcen sistem za raziskovanje kritiˇcnega obdobja, ˇceprav se zdaj veˇcina takih preiskav izvaja na glodavcih. Ena najveˇcjih prednosti uporabe teh ˇzivali je, da so odkritja podobna kot bi bila pri ljudeh. Prekriˇzane oˇci ali prirojena katarakta, ki v otroˇstvu vodi do neenakomernih vidnih vnosov, lahko povzroˇcijo ambliopijo, stanje, ki prizadene dva do pet odstotkov prebivalstva, pri katerem je vid skozi eno oko, ”leno oko”, slab, ˇceprav je oko popolnoma zdravo. Popravlja- nje boljˇsega oˇcesa lahko povrne kakovost vida skozi leno oko, vendar le, ˇce je to storjeno v kritiˇcnem obdobju [19].
4.3 Razvoj moˇ zganov v ˇ zivljenjskem ciklu
Kljuˇcno je vedeti tudi, kaj se dogaja z moˇzgani, ko se starajo. Kljuˇcni de- javnik so strukturne spremembe v zunajceliˇcnem okolju nevronov. PV-celice pomagajo uravnavati ˇcasovni razpored in nihanje vzorcev. To poskrbi, da so nevroni, ki predstavljajo ustrezne informacije, aktivni in lahko posredujejo pravilne informacije. Ko se PV-celice starajo, se ujamejo v mreˇze, zunaj- celiˇcne strukture, bogate z beljakovinami, ki jih najdemo v celotnem ˇzivˇcnem sistemu in so sestavljene iz molekul, imenovanih hondroitin sulfatni proteo-
glikani (CSPG).
Razbijanje mreˇz je bilo med prvimi eksperimentalnimi manipulacijami, ki so v odrasli dobi ponovno aktivirale vizualno neizkuˇsenost. Veˇckratno vbrizgavanje encima, ki razgradi CSPG v vidni korteks odraslih podgan,ob- novi sposobnost vizualnih izkuˇsenj, da vplivajo na ambliopijo ˇse dolgo po obiˇcajnem kritiˇcnem obdobju [40]. Mreˇze v amigdali, predelu moˇzganov, po- vezanem s ˇcustvi, lahko skrijejo spomine strahu. Nastale strahove v otroˇstvu, ki so bili pridobljeni po kritiˇcnem obdobju, je teˇzko izbrisati – predstavljajo osnovo za posttravmatske stresne motnje (PTSD). Zaradi razgradnje CSPG v amigdalah zrelih miˇsi je mogoˇce izbrisati spomine na strah, pridobljene v od- rasli dobi. Ta ugotovitev lepo ponazarja, kako lahko preuˇcevanje doloˇcenega kritiˇcnega obdobja v vidnem sistemu vodi do odkritja globalnih mehanizmov, ki uravnavajo druga kritiˇcna obdobja [40]. Druga fiziˇcna sprememba, ki se pojavi na razliˇcnih stopnjah zrelosti moˇzganov, je poveˇcana tvorba mielina – zavijanje aksonov v belo, maˇsˇcobno izolacijo, ki spodbuja medceliˇcno komu- nikacijo. Tako kot CSPG lahko tudi mielin in z njim povezane beljakovine moˇcno zavirajo rast aksonov, poveˇcana mielinizacija pa je glavni razlog, da se ˇzivˇcna vezja s starostjo veˇcinoma ne obnovijo. Ko se pri miˇsih genetsko izbriˇse kljuˇcni posrednik mielinskega signaliziranja, receptor Nogo, se neizkuˇsenost oˇcesne dominance nadaljuje tudi po preteku obiˇcajnega kritiˇcnega obdobja.
Raziskovalci so ugotovili, da geni imunskega sistema v zrelih moˇzganih si- gnalizirajo skozi isti receptorski kompleks. To nakazuje, da je mieliniranje pomembno za zapiranje kritiˇcnih obdobij [40].
Medtem ko odstranjevanje struktur, kot so mreˇze in mielin, ˇse zdaleˇc ni v kliniˇcni uporabi, je model lenih oˇci v zadnjem ˇcasu razkril drugaˇcen pretok signalov pozornosti v moˇzganih. Lynx1 je negativni regulator nevro- modulatorja acetilholina (ACh). Tako kot mreˇze in mielin se tudi Lynx1 kopiˇci, ko moˇzgani dozorijo. Veˇze se na nikotinski receptor ACh (isti recep- tor, ki ga nikotin aktivira v cigaretah) in zmanjˇsa njegovo obˇcutljivost na ACh. Ko se pri miˇsih gen Lynx1 odstrani, se ojaˇca signalizacija nikotin- skega ACh receptorja in odrasle miˇsi se od ambliopije spontano opomorejo.
Raziskovalci so do podobnih rezultatov priˇsli s farmakoloˇskim izboljˇsanjem signalizacije ACh z uporabo encima, ki razgrajuje ACh. Ker so zaviralci tega encima ˇze varno predpisani za lajˇsanje simptomov kognitivnega in funkcio- nalnega upada, na primer pri Alzheimerjevi bolezni, je izvedljivo kliniˇcno preskuˇsanje za reˇsevanje ambliopije pri mlajˇsih ljudeh, ki so preˇsli kritiˇcno obdobje [40][41].
4.4 Tveganja laboratorijskih ugotovitev
Tu obravnavani podatki zagotovo dajejo veliko upanje za izboljˇsanje vseˇzi- vljenjskega uˇcenja in zdravljenje moˇzganskih poˇskodb ali motenj v ˇsirokem spektru. Toda pri prevajanju laboratorijskih ugotovitev v posege za ljudi je potrebno ravnati previdno. Upoˇstevati je treba bioloˇska, kliniˇcna in etiˇcna tveganja [55]. Razmisliti je potrebno, kaj bi se lahko zgodilo, ˇce bi okolijske izkuˇsnje za vedno imele velik vpliv na nevronska vezja, kot ga imajo med razvojem: moˇzgani bi bili verjetno v stalnem stanju, kjer prejemajo nove izkuˇsnje ter z njimi prekrijejo prejˇsnje izkuˇsnje. Morda ne bi bilo moˇzno obdrˇzati nobene pomembnejˇse izkuˇsnje. Ta vrsta neuspeha pri stabilizaciji nevronskih vezij je lahko podlaga nekaterih nevrorazvojnih motenj. Druga kljuˇcna toˇcka, ki jo je treba upoˇstevati, je hierarhiˇcna narava kritiˇcnih obdo- bij. Premik ˇcasa za eno nevronsko pot lahko vpliva na vsa druga vezja. ˇCe je vezje zelo neizkuˇseno v ˇcasu, ko bi moralo biti bolj stabilno, bo nastal kaska- dni uˇcinek na naˇcine, ki jih je teˇzko napovedati, dokler medicina ne pridobi boljˇsih moˇzganskih diagramov in globljega znanja o tem, kako se moˇzganska povezanost razvija. Neˇzeleni trajni uˇcinki zdravil, ki poveˇcujejo zmogljivost v ˇsportu, sluˇzijo kot potrdilo, da hitreje ni vedno bolje [55]. Oˇcitna skrb, zlasti pri farmakoloˇskih posegih, je nevarnost neˇzelenih uˇcinkov. Raziskati je treba nenamerno pospeˇsevanje kritiˇcnih obdobij pri dojenˇckih.
Drug primer je izpostavljen v povezavi z zdravljenjem kapi z manipulacijo signalizacije GABA. Zmanjˇsanje prekomerne oblike zaviranja, ki se pojavi po moˇzganski kapi, spodbuja funkcionalno okrevanje pri modelu podgan. Ven-
dar pa bi to prehitro lahko dejansko spodbudilo celiˇcno smrt in poveˇcalo resnost kapi. Kot vedno v biologiji imajo celice in molekule, o katerih se razpravlja v kritiˇcnih obdobjih, razliˇcne funkcije in usmerjanje katere koli od njih bo verjetno dalo zapletene rezultate, ki morda niso povezani z ne- izkuˇsenostjo. Toda, z veˇc razumevanja osnovne biologije nevronskih vezij, na katerih temelji neizkuˇsenost, in njihovem odzivu na bolezni ali poˇskodbe, postane moˇzna zasnova varnejˇsih in bolj usmerjenih posegov [55].
Jasno je, da obstaja potreba po veˇc raziskovanja, financiranja in osre- dotoˇcanja na predˇsolsko vzgojo in pravoˇcasne posege, usmerjene v zgodnje ˇzivljenjske stiske. Tudi ˇce v prihodnosti napredek v razumevanju neizkuˇsenosti kritiˇcnega obdobja omogoˇca oblikovanje uˇcinkovitejˇsih posegov za starejˇse otroke in odrasle – posegov, ki odpravijo nekatere poˇskodbe moˇzganskih vezij, ki jih povzroˇcajo stiske v zgodnjem ˇzivljenju – bo prepreˇcevanje ali zmanjˇsanje stiske vedno ostalo na prvem mestu in najpametnejˇsa strategija.
