О МЕХАНИЗМАХ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ В ЗРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ В.Г. Калмыков Институт математических машин и систем, Киев vl.kalmykov@gmail.com. - презентация

1 О МЕХАНИЗМАХ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ В ЗРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ В.Г. Калмыков Институт математических машин и систем, Киев

2 СОДЕРЖАНИЕ 1. Введение. Зрительное восприятие - прототип для технологий обработки визуальной информации? 2. Зрительная система - строение, функционирование. Нейрон как основной структурный элемент зрительной системы. 3. Изменение размеров зон возбуждения рецептивных полей нейронов в течение зрительного акта (между саккадами) 4. Новый механизм функционирования нейрона в состоянии возбуждения - подтверждает феномен изменения размеров зон возбуждения рецептивных полей нейронов

3 Человек с его системой зрительного восприятия, и автоматические/автоматизированные системы обработки визуальной информации, как правило, являются элементами более сложных управляющих, производственных, медицинских, научно-исследовательских и иных систем. В этих системах предполагается согласованная или, по крайней мере, непротиворечивая работа всех элементов, в том числе и систем обработки визуальной информации с системой зрительного восприятия человека. В таком случае, свойства системы зрительного восприятия человека должны учитываться явным образом, тем более что к настоящему времени накоплено огромное количество знаний об анатомии и физиологии зрительной системы.

4 в) г) Цвет линий решетки совпадает: - а) с цветом текста; - в),г) с цветом фона а) фон нейтральный; б) фон прямоугольная решетка Примеры автоматически распознаваемых (а) и нераспознаваемых (б,в,г) текстовых строк (дискретизация с разрешением ~ )

5 а) б) в) г) Текстовые строки (а,б,в,г) автоматически распознаваемы (дискретизация с разрешением ~ )

6 1 – левые, 2 – правые половины зрительных полей, 3 – глаза, 4 – сетчатки, 5 – зрительные нервы, 6 – глазодвигательные нервы, 7 –хиазма, 8 –зрительный тракт, 9 –латеральное коленчатое тело, 10 –верхние бугры четверохолмия, 11 –неспецифический зрительный путь, 12 –зрительная кора головного мозга. ЗРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

7 Мышцы глаза 1 - наружная прямая; 2 - внутренняя прямая; 3 - верхняя прямая; 4 - мышца, поднимающая верхнее веко; 5 - нижняя косая мышца; 6 - нижняя прямая мышца. ГЛАЗ: общий вид, глазодвигательные мышцы

8 Наружное коленчатое тело - поперечный разрез

9 6Л 5П 4П 3Л 2П 1Л 1П 2Л 3П 4Л 5Л 6П Наружное коленчатое тело – порядок слоев Сетчатки: левая правая

10 1 - склера, 2 - сосудистая оболочка, 3 - сетчатка, 4 - роговица, 5 - радужка, 6 - ресничная мышца, 7 - хрусталик, 8 - стекловидное тело, 9 - диск зрительного нерва (слепое пятно), 10 - зрительный нерв, 11 - желтое пятно. СТРОЕНИЕ ГЛАЗА

11 1 палочки, 2 колбочки, 3 горизонталь- ные, 4 биполярные, 5 амакриновые, 6 ганглиозные клетки, 7 сетчатка, 8 глазной нерв. СВЕТ ГЛАЗ, СЕТЧАТКА схематическое представление

12 Высота рисунка в натуре 0.25 мм 1 пигментныеклетки меланина 2 палочки 3 колбочки 4 горизонтальные клетки 5 биполярные клетки 6 амакриновые клетки 7 ганглиозные клетки ПОПЕРЕЧНЫЙ РАЗРЕЗ СЕТЧАТКИ посредине между центральной ямкой и дальней периферией, где палочек больше, чем колбочек.

13

14

15

16 Ядро Мембрана Дендриты Аксон Синапсы НЕРВНАЯ КЛЕТКА – это ее тело, и дендриты, к которым приходят импульсы от других клеток. ограниченное клето- чной мембраной, содержащее ядро и другие органеллы, аксон, передающий импульсы от клетки,

17 (А) Клеточные мембраны состоят из жидкой фазы липидов и встроенных в липиды белковых молекул. Пронизывающие мембрану (трансмембранные) белки образуют ионные каналы. (В) Схематичное представление ионного канала с центральной водной порой и воротным механизмом (G). Клеточная мембрана и ионный канал

18 Распределение ионов в идеаль- ной клетке. Мембрана проница- ема для К + и С1 -, но непроница- ема для Na + и внутрикле-точных анионов (А ). Концентрационный градиент ионов калия способствует выходу этих ионов из клетки (сплошная стрелка); градиент потенциала стремится перенести Функционирование нейрона в состоянии покоя ионы калия внутрь клетки (штриховая стрелка). В состоянии покоя эти две силы уравновешивают друг друга. Концентрационный и электрический градиенты для хлора имеют противоположные направления. Ионные концентрации выражены в миллимолях (ммоль).

19 Функционирование нейрона в состоянии возбуждения а б в Натриевый канал: а) открыт, б) инактивирован, в) закрыт и инактивирован Генерация нейроном потенциала действия Вхождение Na + Натриевая инактивация Выход K + 1мс мВ

20 Передача потенциала действия по аксону

21 Синаптическая передача импульса

22

23 Функционирование нейрона на примере ганглиозной клетки ответы нейронов на световые стимулы, покрывающие рецептивные поля клетка с on-центром клетка с off-центром Отсутствие стимула – случайные помехи 2. Наличие стимула в зоне возбуждения – активная реакция клетки с on-центром во время стимула, клетки с off- центром после стимула 3. Стимул покрывает зоны торможения и возбуждения – случайные помехи 4. Наличие стимула в зоне торможения, отсутствие стимула в зоне возбуждения – активная реакция клетки с off-центром во время стимула, клетки с on-центром после стимула

24 РЕЦЕПТИВНЫЕ ПОЛЯ соседних нейронов перекрываются

25 Световые стимулы Реакция нейрона на стимулы различных размеров Зона возбуждения Зона торможения n- количество импульсов в ответе на стимул данного диаметра; d0 – диаметр зоны возбуждения D0 – диаметр зоны торможения 1,2 – графики реакций нейронов различных типов

26 Уменьшение диаметра зоны возбуждения во времени при предъявлении стимула диаметр зоны возбуждения i – номер временного интервала n – количество импульсов в равных временных интервалах

27

28

29 1 Импульсы потенциала действия 2 Начальное состояние потенциала покоя 3 Смещение потенциала покоя под воздействием хлорной проводимости Изменение диаметра зоны возбуждения рецептивного поля во времени мВ

30 О МЕХАНИЗМАХ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ В ЗРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ В.Г. Калмыков Институт математических машин и систем, Киев

31 РЕЦЕПТИВНЫЕ ПОЛЯ нейронов стриарной коры: примеры и реакция на стимул

32 ОРИЕНТАЦИОННЫЕ ПЛАСТИНЫ СТРИАРНОЙ КОРЫ

33 b a c d ФОРМИРОВАНИЕ РЕЦЕПТИВНЫХ ПОЛЕЙ НЕЙРОНОВ 1. Пример формирования рецептивного поля нейрона, который реагирует на отрезок определенного направления фиксированной длины Примеры рецептивных полей нейронов, реагирующих на отрезки прямых определенного направления и произвольной длины (b,c,d), образованных «выходами» нейронов возбуждающихся отрезками фиксированных направлений и длины (a).

34 Под L-элементом будем понимать связную последовательность креков вертикальной (горизонтальной) ориентации, которая содержит не более одного крека горизонтальной (вертикальной) ориентации

35

36 Вершины 3 уровень 2 уровень 4 уровень 1 уровень Р Е Ц Е П Т О Р Ы (С И Г Н А Л Ы К Р Е К О В ) L -элементы К 1 -элементы К 2 -элементы К 3 -элементы Формирование образа отрезка цифровой прямой

37 Теория опознавания и памяти – З.Л. Рабинович

38 ПРИМЕРЫ МАТЕМАТИЧЕСКИХ КРИВЫХ Кривая Пеано соответствует условиям Жордана Ковер Серпинского соответствует определениям Кантора и Урысона

39 Под дугой цифровой кривой в дискретном пространстве дискретности d будем понимать такую последовательность отрезков цифровых прямых, что через конечные три точки каждой пары соседних отрезков можно провести такую окружность, что высота сегментов этой окружности, соответствующих соседним отрезкам, не превышает d/2. SR 1 = OT n-1 – OT n-1 cos = r – r cos = r(1 – cos ) d; T n r 2 = ot n - ot n cos 2 = r – r cos 2 = r(1- cos 2 ) = 2 r (1- cos 2 ) T n R 2 /SR 1 =2(1+cos ); T n R 2 =2(1+cos ) SR 1. Для SR 1 d/2 и 30, T n R 2 1,8d. Таким образом максимальное отклонение T n+1 T* = 2 TnR2 = 3.6d.

40 Восстановление контура объекта Объект Программа Coral Trace Программа по предлагаемому методу

41 Объекты Контура по CorelTrace Контура по предлагаемому методу

42 К самому изумительному чуду на свете мы еще даже и не прикоснулись. К чуду из чудес, знакомому нам всю жизнь. Оно настолько срослось с нами, что мы все время забываем о нем. А ведь наш глаз, во время того, как мы смотрим, на протяжении всего дня посылает в густой лес клеток и волокон нашего мозга постоянные ритмические потоки мельчайших, отделенных друг от друга, эфемерных электрических потенциалов. Эта пульсирующая и текущая по губчатой структуре мозга компания электрических разрядов не имеет никаких видимых признаков сходства с пространственной или временной структурой окружающего мира; она лишь отдаленно напоминает ту крошечную двумерную и, вдобавок, перевернутую картинку окружающего мира, которая возникает в глазу в самом начале нервных волокон, до шторма электрических разрядов. И этот шторм разрядов устроен таким образом, что влияет на работу клеток мозга всех типов.

43 Электрические разряды, сами по себе не несущие даже малейшей зрительной информации, не имеющие, например, ничего общего с такими понятиями, как «расстояние», «право-лево», ни с «вертикальный» или «горизонтальный», ни с «цветом», «яркостью» или «тенью», ни с «округлостью», «квадратностью», ни с «контуром», с «прозрачностью» или «непрозрачностью», ни с понятиями «далеко» или «близко», вообще ничего с какой-либо зрительной информацией тем не менее позволяют нам, словно по волшебству, представить все это. Ливень маленьких разрядов вызывает в моем воображении, когда я смотрю вокруг, панораму окружающего меня места: замок на холме или лицо какого-то моего друга, как далеко они от меня обо всем об этом мне говорят эти потенциалы. Следуя их словам, я иду вперед, и другие мои чувства подтверждают, что они находятся именно там, где я и предполагал. Sherrington, С. S. Man on His Nature.