Ústav patologické fyziologie 1.LF UK Porozumění mozku, na příkladě sluchu, experimenty a modelování, kde jsou bariéry, kde je strop? Petr Maršálek Ústav patologické fyziologie 1.LF UK Petr.Marsalek@LF1.CUNI.CZ /30

Osnova Úvod Stručný přehled anatomie a fyziologie sluchu Možnosti studia mozku: experimenty a teorie Experimenty: Psychofyzika/ psychoakustika/ Elektrofyziologie Teorie: Modelování Funkce slyšení pro vnímání řeči, ontogeneze Prostorové slyšení Bariéry/ strop Závěr /30

Vnější, střední a vnitřní ucho /30

Řez Cortiho orgánem /30

Basilární membrána – pohled shora a rozvinutá do lichoběžníku Šířka u base 100 mm Šířka u apexu 500 mm Délka 33 mm Basilární membrána – pohled shora a rozvinutá do lichoběžníku /30

Kódování zvuku – podle hlasitosti a podle frekvence /30

Obor slyšení: frekvence a hlasitosti Nadpis /30 Obor slyšení: frekvence a hlasitosti

/30 Obor řeči a zpěvu

Zpracování řeči v centrech mozkové kůry /30

Brodmanovy arey – dvě hlavní řečová centra /30

Tři poznámky ke stranové symetrii sluchové dráhy: Sluchová dráha Tři poznámky ke stranové symetrii sluchové dráhy: >Na rozdíl od zrakové dráhy, kde se kříží levé a pravé vnější části zrakové scény, sluchová dráha od „třetího“ (prvního binaurálního neuronu) je křížením zálohovaná >Stranově asymetrická jsou řečová centra (to má zřejmě funkční význam) >Porovnání informace zleva a zprava je využito pro prostorové slyšení /30 >Na rozdíl od zrakové dráhy, kde se vždy kříží levé a pravé části zrakové scény, sluchová dráha od „třetího“ (prvního binaurálního neuronu) je křížením zálohovaná >Stranově asymetrická jsou řečová centra (to má zřejmě funkční význam) >Porovnání informace zleva a zprava je využito pro prostorové slyšení

Elektrofyziologie: neinvazivní a invazivní /30

Psychofyzika/ psychoakustika /30

Patologická fyziologie řeči: Afázie: poruchy řečových center /30

Patologická fyziologie řeči: Afázie: poruchy řečových center /30

Vývojová stadia rozvoje řeči 6 měsíců Počátky žvatlání. 1 rok Počátky rozumění řeči, jednoslovná produkce. 1.5 roku Slovník s 30 až 50 slovy. 2 roky Slovník s 50 až několika sty slovy. Holé věty (telegramy/ SMSky). 2.5 roky Věty se třemi a více slovy. Mnoho gramatických chyb, neologismy, idiosynkratické výrazy. Dobré porozumění řeči. 3 roky Slovník s 1000 slovy. 4 roky Produkce řeči blízká schopnostem dospělého, slovník s 2000 slovy. Podle: [Kandel, Schwartz, Jessel, Principles of Neural Science, 1991] (Jak je to v jiných jazycích? CZ: žvatlat, SK: džavotať, EN: babble, GE: plappern, FR: babiller, LAT: balbuties, a.t.d…) /30

Formanty anglických samohlásek /30

„Psychofyzikální“ a elektro- encefalografické odpovědi kojenců a malých dětí /30

Prototypy samohlásek a syntetické samohlásky v prostoru formantů [P Prototypy samohlásek a syntetické samohlásky v prostoru formantů [P. Kuhl et al., 1992] /30

„Psychofyzikální“ odpověď kojenců ve věku 6 měsíců na samohlásky rodného a cizího jazyka [P. Kuhl et al., 1992] /30

Modelování -?-?-? … /30

Prostorové slyšení: časový a prostorový klíč /30

Výstup modelových neuronů v závislosti na časovém klíči (DK = detektory koincidence) Červeně – DK bez inhibice Modře –DK s inhibicí Error bars – směrodatná odchylka simulací /30

[Hopfield, Brody, 2000], Fig. 5 /30

Aplikace elektrofyziologie a poznatků o nervovém kódu: kochleární implantáty /30

Posun stimulů/ akčních potenciálů v čase (timing jitter) [Laback and Majdak, 2008] /30

Kde jsou bariéry pro další výzkum? Kognitivní úlohy umělé inteligence: Přirovnání s bariérou rychlosti zvuku v_letectví (=zdálo se, že tuto bariéru nebude možné překonat, ale použití motorů s vyšším výkonem její překonání umožnilo) …V robotice se uvádí bariéra „koncepčního“ myšlení jako „těžká“ úloha robotiky/ umělé inteligence. Příklad: používání nástrojů, malé dítě kačera táhne na provázku, anebo tlačí klacíkem, robot „neví“ o rozdílech tlačit/ táhnout, klacík/ provázek… Technické možnosti napodobit vnímání při stimulaci mozku: kochleární implantáty, implantáty v jiných částech mozku: v bazálních gangliích při parkinsonismu, v thalamu a na různých místech při epilepsii. Bariéra je v neznalosti nervového kódu, v neschopnosti tento kód reprodukovat… U sluchových experimentů často nebyl dosud nalezen vhodný stimulus. Jednou z hlavních bariér jsou současná omezení v porozumění nervovému kódu... Divergence v řešeních kognitivních úloh lidmi (=přirozenou) anebo umělou inteligencí… Nejen popisy řešení kognitivních úloh, ale hlavně vědecké disciplíny, které toto studují, divergují a postrádají společný jazyk, je málo mezioborového výzkumu, mezioborový výzkum se špatně zařazuje, asi i proto bude méně podporován granty. (Příklad: na jaké katedře je pracovní skupina pro výzkum počítačových virů?) /30

Kde je strop? Bariéry - pokračování Technické úlohy pro umělou inteligenci: strojový překlad, přepis mluveného slova, interpretace (simultánní překlad mluveného slova). Kde je strop? Well posed problems/ versus ill posed problems… Mozek řeší úlohu zpracování zvuku (anebo řeči, obrazu, atd.) jinak než počítač: počítače zvládly multimédia díky zvyšování rychlosti zpracování, a schopnosti provádět úlohy o větší výpočetní složitosti./ „Pomalý“ lidský mozek se to vše nejdříve musí naučit a potom dosahuje toho všeho paralelním zpracováním. Filosofie a psychologie: „Lehké“ a „těžké“ problémy při porozumění mysli. Filosofické odpovědi: Pozitivismus – funkci mozku porozumíme a budeme schopni ji napodobit strojem. Agnosticismus – snaha porozumět myšlení je tak marná, jako kdyby mravenec chtěl pochopit teorii relativity (komplexita, neexistence nástrojů). Metodická skepse – porozumění myšlení si vyžádá přístupy a metody, o kterých se nám zatím ani nesní. Jiná perspektiva - ? 5. Další dílčí komentáře: Studium řeči – neexistence invazivního experimentálního modelu… /30

Shrnutí Sluchová dráha sestává z řady nervových jader od vnitřního ucha až do mozkové kůry. Jedna (menší) součást sluchové dráhy slouží prostorovému slyšení. Tvorbě a porozumění řečí slouží centra v mozkové kůře, nejsou párová, jsou jen v dominantní (většinou levé) hemisféře. Veškeré naše vnímání (vstupy), myšlení (zpracování informace) a motorika (výstupy) je zakódováno pomocí akčních potenciálů, relativně pomalých (trvají 2 ms) a jako kód obtížně popsatelných. Metody výzkumu mozku jsou: experimentální a teoretické, patří sem: psychofyzika, invazivní a neinvazivní elektrofyziologie, modelování, numerická simulace na počítači. Příklady: výzkum ontogenze řeči a modelování prostorového slyšení. Závěrečná část byla spekulativní – typický vědecký pracovník nemá na filosofii a na reflexi svého výzkumu čas, ani vzdělání a pojmový aparát – toto je „postěžování si“ a proto také výzva ke komunikaci mezi obory … /30

/30