Από τα βιολογικά στα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα – Κυβερνητική

Παρουσίαση με θέμα: "Από τα βιολογικά στα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα – Κυβερνητική"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Από τα βιολογικά στα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα – Κυβερνητική
Σεμινάριο Φυσικής Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Όνομα σπουδάστριας : Καρανικολάου Μαρία Επιβλέπων καθηγητής : κος Αλεξόπουλος Θεόδωρος

2 Δομή παρουσίασης Ο Στόχος της παρουσιάσης αυτής πληροφοριών είναι διττός, δείχνοντας έτσι το διττό έργο του φυσικού μηχανικού. Μηχανή Σκέψης Ζωντανών Οργανισμών Μηχανή Σκέψης “Τεχνητών Οργανισμών” 2 3 1 x + x x - Όπως ακριβώς και το διηλεκτρικό υλικό,ο φυσικός μηχανικός έχει διττό έργο, αφού αποκω- δικοποιεί την επιστήμη της φύσης, τη συνδέει με τη μηχανική των υλικών(engineering of materials) αλλά και δημιουργεί την αντίστροφη κατεύθυνση κατασκευάζοντας νέα υλικά με τις επιθυμητές ιδιότητες.

3 Μέρος 1ο. Μηχανή Σκέψης Ζωντανών Οργανισμών
Μέρος 1ο Μηχανή Σκέψης Ζωντανών Οργανισμών Έστω πως αναφερόμαστε στο ζωντανό οργανισμό που ονομάζεται άνθρωπος. Η έννοια της λέξης οργανισμός συνίσταται στην κατοχή μέσων για την παρακάτω ακολουθία ενεργειών : απόκτηση, χρήση, διατήρηση και μετάδοση π λ η ρ ο φ ο ρ ι ώ ν. Τις σχέσεις αυτές με την πληροφορία τις διαχειρίζεται στους ζωντανούς οργανισμούς το νευρικό σύστημα. Νευρικό σύστημα ονομάστηκε το συνολικό άθροισμα των ιστών που καταγράφουν και διανέμουν πληροφορίες μέσα στον οργανισμό. Συνιστά μαζί με το ορμονικό σύστημα τα δύο συστήματα ελέγχου που υπάρχουν στο ανθρώπινο σώμα, τα οποία ελέγχουν και ρυθμίζουν τις σωματικές λειτουργίες. Έστω πως η μηχανή της σκέψης στους ζωντανούς οργανισμούς παράγει τις σκέψεις σύμφωνα με ένα πρόχειρο μαθηματικό μοντέλο των οριζουσών nature-nurture : a ▫ b = thought , όπου a, η γονιδιακή φύση του Νευρικού συστήματος και b, η επίδραση του περιβάλλοντος σε αυτό. Γι΄αυτό, το 1ο μέρος διαιρείται σε : Α. Τις βάσεις της φυσιολογίας του Νευρικού Συστήματος. Β. Την αλληλεπίδραση με τα ερεθίσματα-εκπαίδευση ΝΣ.

4 Α. Βάσεις Φυσιολογίας Νευρικού συστήματος
Το νευρικό σύστημα αποτελείται από τα : Kεντρικό νευρικό σύστημα Περιφερικό νευρικό σύστημα Το κεντρικό νευρικό σύστημα συνίσταται από τον εγκέφαλο και το νωτιαίο μυελό. Το περιφερικό νευρικό σύστημα συνίσταται από λεπτά νήματα που ονομάστηκαν νέυρα,και είναι μεγάλου μήκους ώστε εκτείνονται άπό το ΚΝΣ ως τα διάφορα μέρη του σώματος. Το περιφερικό νευρικό σύστημα αποτελείται από το σωματικό και το αυτόνομο νευρικό σύστημα. Το αυτόνομο νευρικό σύστημα αποτελείται κυρίως από νευρώνες που συνδέουν το ΚΝΣ με τα εσωτερικά όργανα και αφορά τον ακούσιο έλεγχο των σωματικών λειτουργιών,όπως καρδιακή συχνότητα, αναπνευστική συχνότητα Το σωματικό νευρικό σύστημα αποτελείται από νευρώνες που συνδέεουν τα εξωτερικά ερεθίσματα με το ΚΝΣ, και αφορά τον εκούσιο έλεγχο μυοσκελετικών λειτουργιών.

5 Για να κατανοήσουμε τη λειτουργία κάθε δομικού μέρους του Νευρικού Συστήματος θα δούμε πρώτα πως αποκτούμε μια πληροφορία από το αισθητήριο όργανο της όρασης, τον οφθαλμό. Στιβάδα δακρύων Κερατοειδής χιτώνας Ίριδα Ακτινωτό σώμα Ακτινωτή ζώνη Κρυσταλλοειδής Φακός Υαλώδες σώμα Αμφιβληστροειδής χιτώνας 9. Οπτικό νεύρο

6 Η ακτίνα καμπυλότητας του κερατοειδή είναι (στην κεντρική περιοχή) περίπου
7,8 mm. Το υδατοειδές υγρό γεμίζει το χώρο μεταξύ κερατοειδή και φακού. Περιέχει πλάσμα αίματος με λίγες πρωτεΐνες. Η ίρις έχει στο κέντρο της ένα άνοιγμα: την κόρη, η διάμετρος της οποίας κυμαίνεται από 1,5 μέχρι 10,0 mm και ελέγχεται από ζεύγος μαλακών μυών: τον σφικτήρα και τον διαστολέα. Ο φακός του οφθαλμού στέκεται ακριβώς πίσω από την κόρη και η σύστασή του είναι 66% νερό και 33% πρωτεΐνες. Το υαλοειδές υγρό αποτελείται από 99% νερό και 1% κολλαγόνο και ένα οξύ που του δίνει υφή ζελατινώδη.

7 Πώς άγεται η πληροφορία
Το φως προσπίπτει αρχικά στον κερατοειδή χιτώνα(συγκλίνων φακός), διασχίζει το υδατοειδές υγρό, την κόρη (άνοιγμα) της ίριδας, το φακό και το υαλοειδές υγρό, πριν καταλήξει στα κύτταρα του αμφιβληστροειδούς (τα κωνία και τα ραβδία). Την περιστροφική κίνηση του βολβού ελέγχουν τρία ζεύγη μυών. Κάθε ζεύγος είναι υπεύθυνο για την περιστροφή σε διαφορετικό επίπεδο στο χώρο, κάθετο στα υπόλοιπα δυο.

8 1. Γεωμετρία οργάνου + Κυματοσωματιδιακή φύση πληροφορίας +
Μηχανισμοί απόκτησης και μεταφοράς πληροφορίας Οπτική  Κβαντομηχανική  Ηλεκτρισμός 1. Σήμα ηλεκτρομαγνητικό Σήμα ηλεκτρικό Θα δούμε πως τα είδη των κυττάρων του νευρικού συστήματος αντιστοιχούν το ένα στο άλλο την πληροφορία.

9 Η ροδοψίνη είναι η κύρια ουσία που σχηματίζει τα κύτταρα-
Το φωτόνιο φτάνει στα κύτταρα που αποτελούν τον αμφιβληστροειδή χιτώνα, και τι συμβαίνει τότε ; Ροδοψίνη Η ροδοψίνη είναι η κύρια ουσία που σχηματίζει τα κύτταρα- φωτοϋποδοχείς του αμφιβληστροειδούς χιτώνα. Ροδοψίνη = οψίνη (πρωτεΐνη) + ρετινάλη(παράγωγο της βιταμίνης Α) Η ροδοψίνη στο χώρο έχει 2 διατάξεις : μια ασταθής όπου το μόριό της είναι συμπιεσμένο, και μια σταθερή όπου το μόριό της είναι απλωτό. Κάποια ένζυμα στον αμφιβληστροειδή φροντίζουν όλα τα μόρια της ροδοψίνης να είναι στη συμπιεσμένη μορφή. Όταν λοιπόν φτάσει η ακτινοβολία σε ένα μόριο ροδοψίνης σπάει το δεσμό που το κρατάει στη συμπιεσμένη μορφή και το μετατρέπει στην απλωτή μορφή. Η αλλαγή αυτή στο σχήμα της ροδοψίνης πυροδοτεί μια χιονοστιβάδα χημικών αντιδράσεων

10 Έχουμε ένα δυναμικό σύστημα, όπου η ακολουθία μεταβολών
ορισμένων μεγεθών σε ένα σύστημα θα οδηγήσει τελικά στην παραγωγή πληροφορίας. Ένα μόριο ροδοψίνης ενεργοποιεί 500 μόρια μιας πρωτεΐνης, ......αυτά ενεργοποιούν 500 μόρια ενός ενζύμου, ......αυτά προκαλούν υδρόλυση άλλων μορίων, ......αυτά κλείνουν 250 κανάλια ιόντων νατρίου που υπάρχουν στη κυτταρική μεμβράνη και έτσι εκατομ. ιόντα νατρίου εμποδίζονται να μπούν μέσα στο κύτταρο(αυτό που βρίσκεται η ροδοψίνη), .....με αποτέλεσμα το ηλεκτρικό δυναμικό της μεμβράνης του κυττάρου να αλλάζει 1 χιλιοστό του βολτ. Αυτή η μεταβολή του ηλεκτρικού δυναμικού δια μέσου των νευρικών κυττάρων διαβιβάζεται στον εγκέφαλο και δημιουργείται η αίσθηση της όρασης. Όλη αυτή η διαδικασία (που βέβαια δεν μας είναι εντελώς κατανοητή) για ένα φωτόνιο διαρκεί ένα δευτερόλεπτο, ενώ για έναν έντονο φωτεινό παλμό μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου. ( Εννοείται ότι αμέσως μετά τα ένζυμα επαναφέρουν τα μόρια της ροδοψίνης στη συμπιεσμένη μορφή κ.ο.κ.)

11

12 Η ποσότητα ροδοψίνης σε έναν αμφιβληστροειδή προκύπτει από το νόμο Beer-Lambert, ο οποίος συσχετίζει την απορρόφηση του φωτός με τις ιδιότητες του υλικού απ’ το οποίο περνά. Ο νόμος περιγράφει τη λογαριθμική εξάρτηση μεταξύ της διαπερατότητας του φωτός, T μέσα από μια ουσία και του γινομένου του συντελεστή απορρόφησης της ουσίας, a με την απόσταση ℓ που διανύει το φως μέσα από το υλικό. Αν Ι ,Ι0 είναι η ένταση του προσπίπτοντος φωτός και του διαπερατού αντίστοιχα τότε για τα υγρά ισχύει Και για την απορροφητικότητα(ή οπτική πυκνότητα) Aλ για ορισμένο μήκος κύματος λ είναι :

13

14

15

16 Οι διαφορετικοί τύποι κυττάρων Νευρικού Συστήματος
Νευρικά κύτταρα του ΚΝΣ Αυτόνομα νευρικά κύτταρα Αισθητήρια κύτταρα μετατροπείς Κύτταρα περιφερικής υποστήριξης νευρώνων και αισθητήριων οργάνων 1. 2. Cholinergic neural cell Peptidergic neural cell Adrenergic neural cell Astrocyte Oligodendrocyte Neuron cells Spindle neuron 3. Photoreceptor cells of retina in eye Olfactory receptor neuron Pain-sensitive primary sensory neurons Merkel cell of epidermis Cold-sensitive primary sensory neurons Heat-sensitive primary sensory neurons Auditory outer hair cell of organ of Corti Basal cell of olfactory epithelium Auditory inner hair cell of organ of Corti Touch-sensitive primary sensory neurons Proprioceptive primary sensory neurons Type I hair cell of vestibular apparatus of ear Type II hair cell of vestibular apparatus of ear Type I carotid body cell Type II carotid body cell Type I taste bud cell

17 Outer phalangeal cell of organ of Corti
4. Outer phalangeal cell of organ of Corti Inner phalangeal cell of organ of Corti Outer pillar cell of organ of Corti Inner pillar cell of organ of Corti Hensen cell of organ of Corti Border cell of organ of Corti Taste bud supporting cell Vestibular apparatus supporting cell Schwann cell Olfactory epithelium supporting cell Enteric glial cell Satellite cell Μία κατηγοριοποίηση των αισθητήριων κυττάρων υποδοχέων σύμφωνα με την ενέργεια που ανιχνεύουν και στην οποία αντιδρούν: Μηχανοϋποδοχείς : ακοή, ισορροπία Φωτοϋποδοχείς : φως Χημειοϋποδοχείς : όσφρηση, γεύση αλλά και εσωτερικοί αισθητήρες στο πεπτικό και κυκλοφορικό σύστημα Θερμοϋποδοχείς : αλλαγές στη θερμοκρασία Ηλεκτροϋποδοχείς : ανιχνεύουν ηλεκτρικά ρεύματα στο περιβάλλον τους

18 Νευρικά κύτταρα του Κεντρικού Νευρικού Συστήματος
Στην εικόνα φαίνεται ο διαχωρισμός στον εγκέφαλο μεταξύ φαιάς και λευκής ουσίας. Το γκρι χρώμα της φαιάς ουσίας οφείλεται στο ότι αποτελείται κυρίως από σώματα νευρικών κυττάρων, σε αντίθεση με τη λευκή ουσία που αποτελείται κυρίως από άξονες μυελίνης. Μυελίνη Η μυελίνη είναι διηλεκτρικό υλικό που περιβάλλει το νευροάξονα και συνίσταται από λιπίδια και πρωτεΐνες. Η μυελίνη καθορίζει τη γρήγορη και ακριβή μετάδοση ηλεκτρικών ρευμάτων, μεταφέροντας έτσι πληροφορίες από το ένα κύτταρο στο άλλο. Δρα όπως η δεύτερη επίστρωση στο καλώδιο, μειώνοντας την αντίσταση που αντιμετωπίζει το ρεύμα.

19 Ο νευρώνας είναι η λειτουργική
μονάδα του νευρικού συστήματος. Μόνο στον εγκέφαλο έχουμε περίπου 100 δις εκαττομύρια νευρώνες. Ποικίλουν σε σχήμα και μέγεθος αλλά αποτελούνται όλοι από 3 μέρη : 1. Τους δενδρίτες, που λαμβάνουν πληροφορίες από άλλο νευρωνικό κύτταρο και μεταδίδουν το μήνυμα στο σώμα του κυττάρου. 2.Το σώμα του κυττάρου, που περιέχει τον πυρήνα, τα μιτοχόνδρια και άλλες δομές τυπικές των ευκαρυωτικών κυττάρων. 3. Τον άξονα που άγει τα μηνύματα πέρα από το κυτταρικό σώμα.

20 διαμόρφωση συχνότητας !
Έχουμε ότι το νευρικό μήνυμα είναι ένα σύνολο από ανιχνεύσιμα ηλεκτρικά σήματα. Αυτά τα ηλεκτρικά σήματα ή “δυναμικά ενέργειας”(action potentials) διαδίδονται με μία κατεύθυνση κατά μήκος των νευρώνων (από το σώμα του κυττάρου μέχρι την τελική διακλάδωση). Αυτά τα «τρένα» δυναμικών ενέργειας έχουν ένα σταθερό πλάτος αλλά η συχνότητά εμφάνισής τους μεταβάλλεται. Επομένως το νευρικό μήνυμα κωδικοποιείται με τη διαμόρφωση συχνότητας ! Οι νευρώνες μπορούν να αντιδρούν σε ερεθίσματα και να άγουν ηλεκτρικές ωθήσεις επειδή υπάρχει ένα δυναμικό μεβράνης (membrane potential) κατά μήκος της μεμβράνης του κυττάρου. Δηλαδή επειδή υπάρχει μια άνιση κατανομή ιόντων στις δύο πλευρές της μεμβάνης του νευρικού κυττάρου. Δηλαδή αν είχαμε ένα βολτόμετρο και τοποθετούσαμε το ένα ηλεκτρόδιο μες στο νευρώνα και το άλλο έξω από αυτόν, το βολτόμετρο θα μετρούσε τη διαφορά στην κατανομή ιόντων μεταξύ εσωτερικού και εξωτερικού ως εξής :

21 Όλων των νευρικών κυττάρων οι μεμβράνες
έχουν μια διαφορά δυναμικού κατά μήκος τους, με το εσωτερικό σχετικά αρνητικό ως προς το εξωτερικό. Τα ερεθίσματα αλλάζουν αυτή τη διαφορά στο δυναμικό ανοίγοντας τα κανάλια νατρίου μες στη μεμβράνη.

22 Οι καθοριστικοί παράγοντες στη διαφορά δυναμικού της μεμβράνης :
ιόντα νατρίου (Na+) και ιόντα καλίου (K+)

23 Action potential - Spike

24 Όπως φαίνεται και από την ετυμολογία της λέξης,
η σύν αψη, περιγράφει τη λειτουργική επαφή μεταξύ νευρώνων ή νευρώνα και άλλου κυττάρου. Εξασφαλίζει τη μετατροπή ενός δυναμικού ενέργειας στον προσυναπτικό νευρώνα σε σήμα στο μετασυναπτικό κύτταρο. Υπάρχουν οι ηλεκτρικές και οι χημικές συνάψεις. Η διαφορά τους είναι πως η ηλεκτρική σύναψη δε χρειάζεται νευροδιαβιβαστές, όπως στη χημική. Η πληροφορία του ρεύματος των ιόντων μεταδίδεται άμεσα από το ένα κύτταρο στο άλλο, κι έτσι έχουμε μια αυτόματη ηλεκτρική επαγωγή, η οποία οδηγεί και τις αυτόματες και ρυθμικές διεγέρσεις(όπως στον καρδιακό μυ).

25

26

27

28

29 H εξίσωση Nernst υπολογίζει
το δυναμικό ισορροπίας κάθε ιόντος- για παράδειγμα έχουμε για τα ιόντα Καλίου : Eeq,K+ is the equilibrium potential for potassium, measured in volts R is the universal gas constant, equal to 8.314 J·K−1·mol−1 T is the absolute temperature, measured in kelvins  z is the number of elementary charges of the ion in question involved in the reaction F is the Faraday constant, equal to 96,485 C·mol−1 or J·V−1·mol−1 [K+]o is the extracellular concentration of potassium, measured in mol·m−3  [K+]i is the intracellular concentration of potassium.

30

31 Artificial Neural Networks
Μέρος 3ο Artificial Neural Networks

32 Τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα είναι μια τεχνολογία επεξεργασίας σήματος.
Ο έλεγχος της κατεύθυνσης της ροής των ηλεκτρονίων είναι αυτό που κάνει τα ηλεκτρονικά να λειτουργούν. Άρα λοιπόν ξεκινάμε από την περίοδο όπου λειτουργούσαν οι λυχνίες κενού ώστε να κατευ- θύνεται το ρεύμα των ηλεκτρονίων προς μια κυρίως κατεύθυνση. Ρεπλίκα του πρώτου τρανζίστορ Η δημιουργία του τρανζίστορ και της “πύλης” – gate – είναι η αρχή των προηγμένων ηλεκτρονικών. Η “πύλη” όταν είναι κλειστή εμποδίζει τα ηλεκτρόνια να ρέουν μέσα από το τρανζίστορ.

33 Transfer resistor Transistor είναι μια συσκευή αντιστάτης(resistor) ή ημι-αγωγός (semiconductor) στερεάς κατάστασης, η οποία μπορεί να ενισχύει τα ηλεκτρικά σήματα καθώς μεταδίδονται μέσα από αυτή από input σε output terminals. Δηλαδή είναι μια συσκευή ελέγχου της ροής ηλεκτρισμού.

34 Fluidic logic  υδραυλικό ανάλογο
NO flow flow

35 Transistor on Transistor off Το «θετικό σήμα» στο πολυπυρίτιο
(polysilicon) έλκει τα ηλεκτρόνια από τη βάση και οδηγούνται στον collector Transistor off Η αρνητική φόρτιση που τροφοδοτεί το πολυ- πυρίτιο απωθεί τα ηλεκτρόνια της βάσης και έτσι δεν έχουμε κύκλωμα.

36 Artificial neuron Το τεχνητό νευρωνικό δίκτυο είναι ένα δίκτυο αποτελούμενο από πλήθος διασυνδεδεμένων μονάδων-νευρώνες. Κάθε μονάδα χαρακτηρίζεται από είσόδους και εξόδους και υλοποιεί έναν υπολογισμό. Στην κάθε σύνδεση νευρώνων αντιστοιχίζεται μια τιμή βάρους. (αναλογία με συνάψεις, άρα η σύναψη μοντελοποιείται από αριθμούς που λέγονται βάρη). Οι τιμές των βαρών των συνδέσεων αποτελούν τη γνώση που είναι αποθηκευμένη στο δίκτυο και καθορίζουν τη λειτουργικότητά του.

37 Η έξοδος κάθε μονάδας καθορίζεται από τον τύπο της μονάδας,
τη διασύνδεσή της με τις υπόλοιπες μονάδες και ίσως από κάποιες εξωτερικές εισόδους. Κάθε μονάδα υλοποιεί μια συνάρτηση τοπικά και όλο το δίκτυο υλοποιεί μια συγκεκριμένη λειτουργία. Ανάλογα με την απαιτούμενη λειτουργία καθορίζουμε και τις προδιαγραφές της. Τις τιμές των βαρών, δηλαδή των παραμέτρων, τις ρυθμίζουμε έτσι ώστε να ικανοποιούνται οι προδιαγραφές. Αυτό γίνεται με την εκπαίδευση, δηλαδή με τη συνεχή τροποποίηση των τιμών των βαρών. Τα περισσότερα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα εκπαιδεύονται με την ελπίδα ότι θα παρουσιάσουν καλή γενικευτική ικανότητα.

38 Threshold (κατώφλι)

39 Για το threshold του νευρώνα βλέπουμε πως αν και μόνο αν η
ηλεκτρική ενέργεια είναι «αρκετή» ,δηλαδή πάνω από ένα χαρακτηριστικό για κάθε νευρώνα όριο, τότε μεταβιβάζεται στο μετασυναπτικό νευρώνα.

40 Αντίστοιχα λοιπόν οι McCulloch and Pitts' (1943) σε ένα από τα
πρώτα δημοσιευμένα έργα τότε έκαναν την αναλογία αυτή μεταξύ threshold βιολογικού νευρώνα και threshold τεχνητού νευρώνα. Οπότε όλα τα δεδομένα σε ένα νευρώνα χαρακτηριστικού κατωτάτου ορίου συνδυάζονται σε έναν αριθμό u, χρησιμοποιώντας το παρακάτω μοντέλο 

41

42 Οπότε για n δεδομένα το συνολικό άθροισμα είναι :
,όπου w είναι τα συναπτικά βάρη και x τα διανύσματα δεδομένων. και η έξοδος, δηλαδή η ύπαρξη σήματος θα καθοριστεί από το threshold θ :

43 Το original model McCullogh Pitts πρότεινε ως συνάρτηση εξόδου
του νευρώνα f(α) τη συνάρτηση threshold. Ωστόσο, και άλλες συναρτήσεις εξόδου χρησιμοποιούνται ευρέως : Threshold : Linear : a) Threshold b)ramp c) Sigmoid d)gaussian Ramp : Sigmoid :

44 Τα νευρωνικά δίκτυα είναι πολύ εξελιγμένες τεχνικές μοντελοποίησης,
ικανές να μοντελοποιήσουν εξαιρετικά πολύπλοκες λειτουργίες. Η γραμμική μοντελοποίηση υπήρξε ευρέως διαδεδομένη για πολύ καιρό, δεδομένου ότι στα γραμμικά μοντέλα εφαρμόζονται πολύ γνωστές στρατηγικές βελτιστοποίησης.Τα νευρωνικά δίκτυα βέβαια, αν και επιτρέπουν τη μη γραμμικότητα μέσω χρήσης μη γραμμικών συναρτήσεων ενεργοποίησης,μεταθέτουν με τη σειρά τους το πρόβλημα στο ζήτημα της διάστασης (του πλήθους των διαφορετικών εισόδων και εξόδων), το οποίο αποτελεί αγκάθι στις προσπάθειες μοντελοποίησης μη γραμμικών συναρτήσεων με μεγάλο αριθμό μεταβλητών. Τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα έχουν εφαρμογές στα συστήματα αυτόματου ελέγχου, στη ρομποτική, στην επεξεργασία σήματος, στην ιατρική διάγνωση, σε χρηματιστηριακές προβλέψεις,στην παρακολούθηση της κατάστασης μηχανημάτων, σε συστήματα διαχείρισης κινητήρα.

45 Γάλλοι επιστήμονες κατασκεύασαν μια τεχνητή εκδοχή «σύναψης» με τη χρήση νανοσωματιδίων χρυσού, ένα μονωτικό στρώμα, ένα τρανζίστορ κατασκευασμένο από οργανικό ημιαγωγό (pentacene). Το πρώτο τρανζίστορ που μιμείται τη βιολογική σύναψη με τη χρήση παλμικών τάσεων(αντικαθιστούν τα voltage spikes).

46 Cybernetics

47 Implanted chip in Professor Kevin Warwick's wrist

48 O καθηγητής Kevin Warwick
στο πείραμα εμφύτευσε ένα chip στο χέρι του το οποίο μπορούσε να ελέγχει τα φώτα, τις πόρτες και άλλα. Ακόμα συνέδεσε το νευρικό του σύστημα με το δίκτυο επιτρέποντας του να κινεί ένα ρομποτικό χέρι στην Αμερική ενώ ο ίδιος βρισκόταν στην Αγγλία.

49 Neil Harbisson Ο Neil Harbisson είναι επίσημα αναγνωρισμένο από την κυβέρνηση cyborg.  Αυτός ο νεαρός, ευρωπαϊος καλλιτέχνης έχει αχρωματοψία, αλλά χάρη σε κάποια ειδική τεχνολογία και ένα ηλεκτρονικό τρίτο μάτι,ο  Harbisson μπορεί να αντιλαμβάνεται 360 διαφορετικές αποχρώσεις μέσα από διαφορετικούς ήχους που μεταφέρονται στο λοβό του αυτιού του.

50 Μέρη 1.Β + 2 1.Β Αλληλεπίδραση ΝΣ με ερεθίσματα περιβάλλοντος-εκπαίδευση ΝΣ 2. Διττό έργο φυσικού μηχανικού

51 Το wavicle της συνειδητοποίησης
Πώς θα μπορούσε να αποκωδικοποιηθεί η διαδικασία της «συνειδητοποίησης» ; Η φυσιολογία του ανθρώπινου νευρικού συστήματος, ενώ είναι πολύ κοντά στο ολιστικό πρότυπο σκέψης ( GESTALT σύστημα αντίληψης : η σκέψη απεικονίζεται μέσα στο χώρο ως πλέγμα, το οποίο είναι αποτέλεσμα μη γραμμικής σύνδεσης διαφόρων στοιχείων) ακολουθεί περισσότερο το αναλυτικό πρότυπο σκέψης ( σε αυτό η διάσταση είναι ο χρόνος και όχι ο χώρος, όπου η σκέψη απεικονίζεται ως αλγόριθμος, μια αλυσίδα στοιχείων της οποίας η σύνθεση είναι αντιστρεπτή). Αν διαφοροποιήσουμε στον εγκέφαλο τη διασικασία της συνειδητοποίησης από τη διαδικασία της μηχανικής αντίληψης τότε θα κάναμε ένα βήμα προς την αποκωδικοποίηση της ανθρώπινης σκέψης. Θα μπορούσαμε να μοντελοποιήσουμε τις δύο αυτές διαφορετικές λειτουργίες του εγκεφάλου.. Ο φυσικός μηχανικός έχει τα εργαλεία για την προσέγγιση αυτής της έρευνας, όπως και δημιούργησε τη σύνδεση μεταξύ 1ου και 3ου μέρους- βιολογικών και τεχνητών νευρώνων.

52 Neuroimaging tools fMRI

53 MRI spectroscopy

54 Experimental characterization

55 The future offers very little hope for those who
expect that our new mechanical slaves will offer us a world in which we may rest from thinking . Help us they may, but at the cost of supreme demands upon our honesty and our intelligence .. [ Norbert Wiener, 1964] Σας ευχαριστώ για την προσοχή σας

56 Πηγές έμπνευσης – Βιβλιογραφία
Εισαγωγή στις έννοιες και τις θεωρίες της φυσικής επιστήμης, G.Holton A logical calculus of the ideas immanent in nervous activity, Warren S. McCullogh, Walter H. Pitts Μηχανές της Λογικής , Martin Davis An introduction to cybernetics, W.Ross Ashby Πώς να το λύσω, G.Polya Νους, Εγκέφαλος και Επιστήμη, J.Searle Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα, Γ. Ρίζος Ρομποτική-Αυτόματα, Χ. Βούκαλης, Δ. Βούκαλη Scientific American, τόμος 5/τεύχος 9 IEEE Spectrum, τεύχος October 2004 Science Illustrated, τεύχος 31, Οκτώβριος 2007 Neural Networks, Vincent Cheung,Kevin Cannons A beginner’s guide to the mathematics of neural networks, A.C.C. Coolen Solution of linear electrical circuit problems using neural networks, J.A. Samath,P.S. Kumar, A. Begum Παπακωνσταντίνου Πάρις, μηχανολόγος μηχανικός ΕΜΠ

57 Monday,%20June%2022,%202009/Calhoun,%20Vince%20(monday).pdf Non-materialist_neuroscience#The_material_properties_of_thought a-network-of-constant-interactions-and-communications.html CE%B7-%CF%87%CE%B7%CE%BC%CE%B5%CE%B9%CE% B1-%CF%84%CE%B7%CF%83-%CE%BF%CF%81%CE%B1%CF %83%CE%B7%CF%83&tmpl=component&print=1&Itemid=17 -neurons-and-neural-arrays-for-emulating-the-nervous-system/ Mind-Versus-Metal.html

58 french-scientists-claim-first-transistor-mimics-brain-connections spirits-the-discovery-of-nerve-function/