της Δήμητρας Σπανού
καθηγήτριας Χημικού
Το αφιερώνω σε όλους αυτούς που δούλεψαν για την Ψυχική Υγεία των ανθρώπων με την ευχή να γίνει το έργο τους κατανοητό.
και σε ένα δυο φίλους που πιθανόν να ενδιαφέρονται
Το νευρικό σύστημα των ανώτερων θηλαστηκών και του ανθρώπου είναι προιόν εξέλιξης εκατομυρίων χρόνων και αποτελεί θέμα μελέτης και μίμισης για πολλά επιστημονικά πεδία, ένα εξ αυτών πολύ σχετικό είναι αυτό της πληροφορικής και των ηλεκτρονικών υπολογιστών
Ο εγκέφαλός μας αντιλαμβάνεται, συνδιάζει, θυμάται αποφασίζει δίνει εντολές που απευθύνονται στο εσωτερικό και εξωτερικό του περιβάλλον. Το ίδιο κάνει και ένας υπολογιστής.
Η ιδέα του παραλληλησμού της κατασκευής αλλά και της λειτουργίας των ηλεκτρονικών υπολογιστών και του ανθρώπινου εγκέφαλου γοήτευε τους επιστήμονες και ήδη από το 1958 είχαν διατυπωθει θεωρείες και είχαν ανθίσει επιτημονικοί τομείς όπως η Υπολογιστική Νευροεπιστήμη που χρησιμοποιεί "τις βασικές υπολογιστικές τεχνικές για την ανάλυση, τη μοντελοποίηση και την κατανόηση της συμπεριφοράς των κυττάρων και των κυκλωμάτων του εγκεφάλου".
Όπου όμως θα πρέπει να προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε τη λειτουργία του εγκεφάλου από την άποψη της ροής πληροφοριών και την εφαρμογή των αλγορίθμων
(Αλγόρυθμοι είναι οι εντολές που δίνονται στις υπολογιστικές μηχανές ώστε να εκτελούν διάφορες εργασίες)
Βέβαια δεν έχουμε τις εκτεταμένες γνώσεις ώστε να διεισδύσουμε σε τέτοια πεδία. Θα γίνει όμως μια προσπάθεια για να έχουμε μια γενική ιδέα από τους σύγχρονους δρόμους της επιστήμης και των εφαρμογών της.
Α. Η σύλληψη του εξωτερικού ερεθίσματος.
Αισθητικοι υποδοχείς στους οργανισμούς
Η ιστορία ξεκινάει, οταν στους πρώτους απλούς πολυκύτταρους οργανισμούς ορισμένα εξειδικευμένα κύταρα της περιφέρειας αναλαμβάνουν να μεταφέρουν τα ερεθίσματα από το περιβάλλον τους στον οργανισμό (αισθητικά κύτταρα)
Οι υποδοχείς είναι κύτταρα τα οποία έχουν σαν σκοπό να συλλαμβάνουν την επίδραση διαφόρων μορφών ενεργείας (εξωτερικά ερεθίσματα) στον οργανισμό και να την μετατρέπουν σε ειδικά σήματα (ηλεκτροχημική ενέργεια) (ΝΕΥΡΟΛΟΓΙΑ :αισθητικοί υποδοχείς) Αυτες ειναι μετατροπές που έχουν αναλυθεί σαν πιεζοηλεκτρισμός φωτοηλεκτρικό φαινόμενο κ.α.
Τα κύτταρα αυτά εξειδικείονται και τροποποιούνται ώστε να μεταφέρουν νευρικά σήματα (που είναι στην πραγματικότητα ηλεκτρικά σήματα0 από μια κατεύθυνση προς μια άλλη. Η εικόνα που δίνουν θυμίζει πολύ καλώδια.
Αισθητήρες στις μηχανές
Με τον όρο αισθητήρες περιγράφονται όλες εκείνες οι συσκευές που μετρούν μια
φυσική ποσότητα και τη μετατρέπουν σε ηλεκτρικό -συνήθως- σήμα.
Δισεκατομύρια χρόνια μετά αισθητήρες ήχου, οπτικοί και υπέρυθροι αισθητήρες , γεωμαγνητισμού, αντανάκλασης της μεταφερόμενης ενέργειας ραντάρ, αισθητήρες υπερήχων και αισθητήρες ραντάρ μικροκυμάτων), ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής
Ένα ειδικό πολυμερές υλικό στο οποίο
έχει αλλάξει με χημικό τρόπο την θεση μεταξύ
των μορίων του. Αυτό μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα
καταγράφουν και μεταφέρουν κατά αντίστοιχο τρόπο, ότι τα πρώτα αισθητικά κύτταρα των οργανισμών με παρεμφερείς διαδικασίες αξιοποιόντας ιδιότητες όπως οι μεταβολές στην θερμοκρασία την πίεση την πυκνότητα και την οξύτητα των διαλυμάτων κ.α. και μετατρέποντας τις μεταβολές αυτές σε ηλεκτρικά ρεύματα
Β. Απλή ανταπόκριση στα ερεθίσματα
Αντανακλατικά ερεθίσματα στους οργανισμούς
Τα ερεθίσματα από το περιβάλλον αυτό μπορεί να υπάρξει:
1. Αμεση ανταπόκριση (αντανακλαστικά ερεθίσματα) Είναι τα ερεθίσματα που έχουν αυθόρμητη ανταπόκριση .
Μέσω αισθητικών νευρώνα, σε συγκεκριμένα σημεία το σήμα που προέρχεται από το εξωτερικό ερέθισμα φτάνει σε κάποιο σημείο συνήθως της σπονδυλικής στήλης και άμεσα μέσω δεύτερου κινητικού νευρώνα μεταφέρεται η απάντηση - ανταπόκριση για να ενεργοποιήσει τον . Δεν γίνεται επεξεργασία σε κάποιο εγκέφαλο, όμως ο εγέφαλος (εάν υπάρχει) ενημερώνεται .
Επικρατούσαν στους πρώτους οργανισμούς χωρίς εγκέφαλος ή με υποτυπώδη εγκέφαλο. Υπάρχουν ακόμα, στους εξελιγμένους οργανισμούς, ερεθίσματα που φτάνουν σε κάποιο γάγγλιο του σώματος και αυτόματα ενεργοποιείται μηχανισμός ανταπόκρισης
Τα περισσότερα όμως νωτιαία αντανακλαστικά χρησιμοποιούν πολυσυναπτικά κυκλώματα,με έναν ή περισσότερους ενδιάμεσους νευρώνες, (μεταξύ του αισθητικού του κινητικού ) . Έτσι επιδέχονται τροποποίηση από τα κέντρα του εγκεφάλου
.jpg)
Η απόκριση στο ερέθισμα που μεταφέρει ένας αισθητικός νευρώνας πάντα από το μυ προς το κέντρο ελέγχου που βρίσκεται στην σπονδυλική στήλη είναι άμεση. Η δράση μεταφέρεται μεσω του κινητικού νευρώνα στον μυ. Ταυτόχρονα ενημερώνεται ο εγκέφαλος για το συμβάν
Η ουσία της λειτουργίας των αντανακλαστικών είναι η μεταφορά ηλεκτρικού σήματος εκεί που πρέπει με την σωστή ένταση και την διάρκεια. Αν λοιπόν τα συσχετίσουμε με καλώδια που συνδέονται και παρεμβάλλονται δίοδες και τρόδες λυχνίες, (ώστε να ελέγχεται η λειτουργία τους ) θα λέγαμε ότι μοιάζουν αρκετά.
Η δίοδη και η τρίοδη λυχνία των αρχών του 20 αιώνα στην ηλεκτρονική βοηθούν στην εξέλιξη της ηλεκτρονικής
Το έτος 1904 επινόησε ο Εγγλέζος Ambrose J. Fleming (Φλέμινγκ, 1849-1945) τη λεγόμενη «Fleming Valve» (βαλβίδα), η οποία ήταν ουσιαστικά η πρώτη αξιοποιήσιμη δίοδη λυχνία.
Το έτος 1906 βελτιώνοντας την δίοδο λ υχνία, κατασκεύασε ο Αμερικάνος τεχνικός Lee de Forest (ντε Φόρεστ, 1873-1961) μία νέα λυχνία με τρία ηλεκτρόδια, με στόχο την ανίχνευση υψίσυχνων σημάτων.( τρίοδη λυχνία)
Η δίοδος λυχνίας έχει δύο ηλεκτρόδια, την κάθοδο και την άνοδο. Η τρίοδος έχει τρία ηλεκτρόδια την κάθοδο, την άνοδο και το πλέγµα.
Η δίοδος επιτρέπει την ροή ηλεκτρονίων μόνο προς την μια κατεύθυνση λειτουργεί δηλαδή σαν ένα είδος βαλβίδας ενώ η τρίοδη λυχνία σαν διακόπτης στην κατασκευή των πρώτων ηλεκτρονικών υπολογιστών
Το τρίτο ηλεκτρόδιο που ενσωμάτωσε ο ντε Φόρεστ στη λυχνία, η οποία έτσι έγινε τρίοδη, ήταν ένα μεταλλικό πλέγμα με μεταβλητό δυναμικό, το οποίο πλέγμα ήταν διαπερατό για ένα μέρος των ηλεκτρονίων που κινούνταν από την κάθοδο στην άνοδο και έτσι ελεγχόταν η ροή τους ανάλογα με το δυναμικό του τρίτου ηλεκτρόδιου.
Αργότερα αξοιποιώντας τις ιδιότητές τους αυτές (βαλβίδα, διακόπτης) χρησιμοποιήθηκαν στην κατασκευή ηλεκτρονικών υπολογιστών στους οποίους για να λειτουργήσουν έπρεπε πρώτα να εξασφαλισθεί η καθορισμένη φορά του ρεύματος.
.
Απλές μηχανές άμεσης ανταπόκρισης σε εξωτερικά ερεθίσματα
Στο αυτόματο πότισμα μια απλή μηχανή ενεργοποιεί ή σταματά την παροχή νερου ανάλογα με την υγρασία εδάφους
Όταν το έδαφος είναι επαρκώς υγρό, η σύνδεση η αυτόματη άρδευση δεν ενεργοποιείται ή διακόπτεται
Το Πεχάμετρο.
Χρησιμοποιούν την αρχή της ποτενσιομετρικής μέτρησης του pH, Ανάλογα με την διαφορά του δυναμικού μεταξύ ενός ενδεικτικού ηλεκτρόδιου που εξαρτάται εκλεκτικά από την ενεργότητα των ιόντων υδρογόνου στο διάλυμα και ενός ηλεκτροδίου αναφοράς .
Αν τα συσχετίσουμε...
Μήπως ο αισθητικός νευρώνας που μεταφέρει μύνημα προς μια κατεύθυνση (προς την σπονδυλική στήλη) συσχετίζεται με μια δίοδο;
Μήπως ο αισθητικός νευρώνας που μεταφέρει μύνημα προς μια κατεύθυνση (προς την σπονδυλική στήλη) συσχετίζεται με μια δίοδο;
Μήπως αυτό το τρίτο ηλεκτρόδιο της τρίοδης λυχνίας μεταβαλλόμενου δυναμικού, μπορούμε να το προσομοιάσουμε με το κέντρο ελέγχου στην σπονδυλική στήλη που ενεργοποιεί ή όχι τον κινητικό μυ και συνδέεται με τον εγκέφαλο στο αυτόματα αντανακλαστικά;
Και οι δυο απλές μηχανες ο αισθητήρας υγρασίας και παροχής νερου και το πεχάμετρο αλλά και ένα πλήθος από άλλες απλές κατασκευές που λειτουργούν απλά σε ένα βήμα δεν συσχετίζονται με τα αυτόματα αντανακλαστικα των οργανισμών
Όταν μάλιστα βρίσκουμε την διαφορά δυναμικού στο πεχάμετρο να λειτουργεί και να διακινεί ηλεκτρικό ρεύμα όπως και στους νευρώνες;
Γ. Συσχετισμός και επεξεργασία των μυνημάτων
Κέντρα συσχετισμού μυνημάτων στον οργανισμό
που στην συνέχεια συγκεντρώνονται στον εγκέφαλο
Στην συνέχεια δημιουργούνται οι συνθήκες της επεξεργασίας των μυνημάτων πριν να υπάρξει η ανταπόκριση σε αυτά.
Αυτό γίνεται αρχικά στους πιο απλούς οργανισμούς σε κάποια κέντρα επεξεργασίας και στο σώμα και κυρίως κοντά σε αισθητήρια όργανα (μάτια, όσφρηση κ.α.) όπου υπάρχει η δυνατότητα, το μύνημα να συσχετιστεί με άλλες πληροφορίες, πολλές φορές αποθηκευμένες (μνήμη) . Στους πρώτους οργανισμούς αυτό ξεκίνησε με το πλησίασμα των πυρήνων τους και την συνάντησή τους μέσα σε γάγγλια. Δήλαδη υπάρχει πλέον συσχετισμός περισσότερων μυνημάτων (ρευμάτων δηλαδή) μέσα στα γάγγλια .
Ακόμα και το εξελιγμένο ανθρώπινο νευρικό σύστημα εξακολουθει να έχει νευρικά κέντρα στην περιφέρεια ( όπως τα πρώτα μη εξελιγμένα ζώα) και παρά το ότι θεωρητικά ο εγκέφαλος είναι που λαμβάνει όλες τις αποφάσεις οι νευρώνες στο σώμα έχουν την δική τους επικοινωνία.
Στην ηλεκτρονική αντίστοιχα από τα αρχικά στάδια σχεδιασμού ηλεκτρικών κυκλωμάτων για την εκτέλεση λογικών πράξεων καθιερώθηκαν οι λογικές πύλες (ΟΧΙ, ΚΑΙ Ή, ΟΧΙ-ΚΑΙ, ΟΧΙ-Ή)
Δέχονται στην είσοδο σήματα με την μορφή υψηλής ή χαμηλής ηλεκτρικής τάσης και δίνουν στην έξοδο ένα και μοναδικό λογικό αποτέλεσμα με την μορφή υψηλής ή χαμηλής τάσης ηλεκτρικού ρεύματος. Συνδυάζοντας τες μπορούμε να δημιουργήσουμε πιο σύνθετες λογικές πύλες όπως
η πορεία από το απλό στο πολύπλοκο συνεχίζεται στους οργανισμούς...
Από τέτοια γαγγλία (κυρίως κοντά σε κέντρα αισθήσεων μάτια, όσφρηση κ.α. εξελίχθηκαν στη συνέχεια με πιο σύνθετες επεξεργασίες και συνεργασίες σε κέντρα και σε συνδιασμό μεταξύ τους στους πρώτους απλούς εγκεφάλους
Ραχιαία νευρική χορδή. Στα ψάρια και στα υπόλοιπα σπονδυλωτά αναπτύσσεται σε νωτιαίο μυελό, τον κύριο κορμό επικοινωνίας του νευρικού συστήματος. Ενώ κοντά στο κέντρα όρασης και όσφρησης αναπτύσσονται γάγγλια που εξελίσσονται σε υποτυπώδη εγκέφαλο
Ο ανθρώπινος εγκέφαλος αποτελείται από 1011 νευρώνες με πολλαπλάσιες διασυνδέσεις ενώ ο ποντικός από 1010. Τα πράγματα όμως δεν ήταν πάντα έτσι.
Τα ασπόνδυλα παλιά ζώα που είχαν αναπτυχθεί πριν από τα σπονδυλώζωα, υπάρχουν βέβαια ακόμα σήμερα, έχουν περί τους 20000 νευρικά κύτταρα οργανωμένα σε 10 περίπου γαγγλία απο 2000 νευρικά κύτταρα το κάθε ένα
Ένα βασικό θέμα η μνήμη και μαζύ η μάθηση των οργανισμών αλλά και των υπολογιστών.
Στα ασπόνδυλα ζώα που μετέχουν σε ένα είδος παρατηρούνται ορισμένες μοριακές μεταβολές στα νευρικά τους κύτταρα κατά την διαδικασία της μάθησης.
Σε αντίθεση στα εξελιγμένα νευρικά συστήματα η μάθηση και η μνήμη ,η νόηση και η επεξεργασία της πληροφορίας είναι θέμα διασύνδεσης των νευρικών κυττάρων μεταξύ τους και την δημιουργία νευρωνικών δικτύων. Αντίστοιχα στους μετέπειτα ηλεκτρονικούς υπολογιστές με συγκεκριμένο προγραμματισμό καταφέρνουμε να λειτουργήσει με συγκεκριμένο τρόπο τα ολοκληρωμένα ηλεκτρονικά τους κυκλώματα ώστε αυτό να γίνει και να μεταφραστεί σαν η επεξεργασία της πληροφορίας
και δυο τρια δισεκατομύρια χρόνια αργότερα στα εργαστήρια των ηλεκρτονικών του περασμένου αιώνα
Ενώ στην ηλεκτρονική συνδυαζοντας κατάλληλα λογικές πύλες δημιουργούνται πιο σύνθετα λογικά κυκλώματα που μπορούν να εκτελούν λογικές πράξεις. Αρχικά χρησιμοποιήθηκαν διακριτά ηλεκτρονικά στοιχεία
Σήμερα στα ολοκληρωμένα κυκλώματα υπάρχει ένα μεγάλο πλήθος ολοκληρωμένων κυκλωμάτων τα οποία με την σειρά τους αποτελούνται από πλήθος λογικών πυλών
Το 1950 είχε εμφανιστεί η κρυσταλλοτρίοδος, ενώ είχαν κατασκευαστεί ηλεκτρονικοί υπολογιστές με λυχνίες κενού και κρυσταλλοτριόδους (1944-1958)
εν τω μεταξύ οι λυχνίες είχαν αντικατασταθεί από τα τρανζίστορ (1959-1964). Η κατασκευή τους βασίζεται στους ημιαγωγούς, 1928 από τον Γιούλιους Έντγκαρ Λιλινφελντ
Οι δίοδοι εξασφαλίζουν έτσι την ροή του ρεύματος στην μια κατεύθυνση και οι τρίοδοι λειτουργούν και σαν διακόπτες
Το 1958 ο Τζακ Κίλμπυ, ερευνητής της εταιρίας Texas Instrument, ερευνώντας πυρετωδώς τρόπους για τη σμίκρυνση των ηλεκτρικών κυκλωμάτων
Κυρίως λόγω των αναγκών της διαστημικής τεχνολογίας , εφηύρε το ολοκληρωμένο κύκλωμα, (1965-1970) εφεύρεση για την οποία βραβεύθηκε με βραβείο Νόμπελ φυσικής το 2000.
Η ιδέα του ήταν να δημιουργούνται τα στοιχεία του κυκλώματος πάνω σε ένα φύλλο ημιαγωγού με μηχανοποιημένο και συστηματικό τρόπο, αντί να συνδέονται και να τοποθετούνται τα διάφορα στοιχεία του κυκλώματος με το χέρι. Η δημιουργία των στοιχείων γίνεται με νοθεύσεις άλλων στοιχείων και επιστρώσεις.
Στην συνέχεια συνδυασμένοι μικροεπεξεργαστές δημιούργησαν τους υπολογιστές
Δ. Ας μιλήσουμε για μόνωση
Κανένας δεν ακουμπά γυμνά καλώδια το ένα με το άλλο. Ξέρουμε πως το ηλεκτρικό ρεύμα για να είναι εξυπηρετικό πρέπει να κατευθύνεται ακριβώς στον στόχο του.
Γνωρίζουμε όλοι τα διάφορα πλαστικά - μονωτές που επενδύονται τα καλώδια που μεταφέρουν ρεύμα ώστε να μην έχουμε διαροές και βραχυκυκλώματα. Αντίστοιχες μονώσεις χρησιμοποιήθηκαν προφανώς και για τα καλώδια των πρώτων ογκωδών υπολογιστικών μηχανές των μέσων του περασμένου αιώνα. Στους μικροεπεξεργαστές πυριτίου προφανώς η μόνωση είναι η ίδια η πλάκα πυριτίου εφ όσον οι δίαυλοι είναι οι προσείξεις που τυπώνωνται και το κάνουν τα τυπωμένα σημεία ημιαγώγιμα
Εκείνο πού ίσως δεν έχουμε πληροφορηθεί είναι ότι οι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούν κάποιες ήπιες μεθόδους για να μονώσουν τους νευρώνες που μεταφέρουν, κατά αντίστοιχο τρόπο, ηλεκτρικά σήματα σε όλο το σώμα. Υπάρχουν στο νευρικό σύστημα, ένας δεύτερος τύπος νευρικών κυττάρων, τα νευραγλοιακά κύτταρα που περιβάλλουν τους νευρώνες για να τους στηρίζουν, τρέφουν, οξυγονώνουν, προστατεύουν από παθογόνα μικρόβια, και επίσης αναλαμβάνουν και την ηλεκτρική τους μόνωση με μια ουσία των κυτταρικών μεμβρανών τους την μυελίνη. Εάν από κάποιους λόγους μειωθεί ή καταστραφεί,
έχουμε φοβερές και επώδεινες ασθένειες του νευρικού συστήματος όπως η σκλήρυνση κατα πλάκας.Ετσι λοιπόν έχουμε μέχρις εδώ, μια πρώτη εικόνα για την επικοινωνία με τον βιολογικό ή τον ηλεκτρονικό τρόπο, που συνεχίζεται στο τρίτο μέρος της ίδιας σειράς
Το εντυπωσιακό εδώ δεν είναι αυτό που έχει χιλιοειπωθεί "ο άνθρωπος αντιγράφει την φύση". Το εντυπωσιακό είναι πόσο γρήγορα την αντιγράφει.
ρία δισεκατομύρια χρόνια γήινης ζωής εξελίσσονται τα νευρικά συστήματα των οργανισμών
Μερικές δεκάδες χρόνια ο ανθρώπος έχει φτάσει να κατασκευάζει απίθανα ΄"σκεπτόμενα" μηχανήματα και να στοχεύει στην τεχνητή νοημοσύνη.
Είναι τελικά συμφέρον και εύκολο, να ακολουθούμε τα βήματα και τις δοκιμασίες που έχουν γίνει πριν από εμάς. Πρέπει όμως να σεβόμαστε και να μην αγνοούμε αυτό που σε έχει διδάξει.
Δήμητρα Σπανού
Πηγές : Σχολικά βιβλία ΟΕΔΒ , Πληροφορίες Διαδυκτύου