Intelligent Design; Biovitenskap
Rekk opp armen hvis du vet hvordan komplekst det er
Evolution News; 27. juni 2017
Oversatt herfra.


Hvilken skolelærer har ikke spurt et spørsmål i klassen som et halvt dusin barn vil svare på? Barna skyter hendene opp i lufta, vifter med dem for påkalling, håper å bli spurt. Anta at spørsmålet var vår tittel. Ville mange studenter, på noe utdanningsnivå, kunne svare riktig på det? Sannsynligvis ikke. De kan til og med tenke at det er et dumt spørsmål. "Jeg gjør det hver dag. Hva er så imponerende med å løfte armen min?" La oss telle måtene.
"Hjernebarken kontrollerer motoregenskaper ved å generere bevegelses-spesifikke signaler og overføre dem gjennom ryggmargens kretser og motor-nevroner til musklene. Nøyaktige og godt koordinerte muskelaktiveringsmønstre er nødvendige for nøyaktig bevegelsesutførelse. Derfor bør aktiviteten til kortikale nevroner korrelere med bevegelsesparametere. For å undersøke spesifikt slike sammenhenger mellom aktivitetene i hjernebarken, ryggmargen og musklene, utviklet vi en modell for nevral kontroll av målrettede rekkevidde-bevegelser som simulerer hele banen fra motorbarken gjennom ryggmargskretsene til musklene som styrer armbevegelser.


Bilde 1. Elever med handa i været

I denne modellen består armen av to ledd (skulder og albue), hvis bevegelser aktiveres av seks muskler (4 enkelt og 2 dobbelt-sammenføyde -bøyere og strekkere). Musklene gir tilførende tilbakemelding til ryggmargskretsene. Kortikale nevroner er definert som kortikale "kontrollører" som løser et inverst problem basert på en foreslått rettlinjet bane til en mål-posisjon og en forhåndsdefinert klokkeformet hastighetsprofil. Dermed genererer kontrolløren et motorprogram som produserer en oppgavespesifikk aktivering av lav-nivå spinalkretser som i sin tur induserer muskelaktivering som realiserer den tiltenkte strekk-bevegelsen.

Det er åpningsordene i en artikkel på PLOS ONE av syv fysiologer, hovedsakelig fra Drexel University School of Medicine i Philadelphia..


Forskerne gjør sitt beste for å forenkle det som foregår i en enkel "målrettet strekke- bevegelse" av armen. Modeller i vitenskap er forenklinger av virkeligheten, med fokus på visse aspekter av et problem, med utelukkelse av detaljer som anses irrelevante. Det er derfor de zoomer inn på bare to ledd og seks muskler. Ved å prøve å modellere armbevegelser under hjernekontroll, håper de at de kan lære ting som vil hjelpe designere av robotarmer som amputerte kan bevege selv med sine tanker.

Bilde 2. Hjerne med dens lokasjons-spesifikke funksjoner


Det gjør våre dager og alder veldig spesiell. For første gang i menneskets historie kan vi gjenoppta spørsmål om menneskelig anatomi og fysiologi fra synsvinkelen til designkravene, uten å utelate noe fra hjerne til lem og tilbake igjen. Vi er ikke lenger begrenset til Galen's eksterne observasjoner av bevegelse, eller til Vesalius' disseksjoner. Verdifulle som de var for sin tid, kunne de ikke ha kjent til hva nevroner er, eller avfyrings-mønsteret til hjernens muskelsignaler, eller de molekylære basis for muskel-sammentrekninger. Vår spirende epoke med robotteknologi bringer sammen en mer sammenfattende oversikt over hele spekteret av krav, for at en hjerne skal løfte en hånd.


Disse forskerne vet hva de står overfor: "Selv enkle armbevegelser som å løfte armen, krever komplekse samspill mellom sentrale og perifere nervesystemer, og skjelettmuskler for å generere de tiltenkte armbevegelsene," sier de. Så legg til side piano eller tennis; De ville bare like å forstå en enkel arm-bevegelse: flytte en arm fra en eksisterende posisjon til en målposisjon.


"I eksperimenter oppstår uventede strekke-bevegelser langs en rettlinjet bane med en bjelleformet hastighetsprofil. Dynamiske nåværende bevegelser skyldes komplekse samtidige eller sekvensielle aktiveringsmønstre av flere muskler som brukes til å akselerere og deretter, senke og stoppe armen langs den planlagte bane. For å generere de nødvendige muskelaktiverings-mønstrene, må hjernebarken løse et tilsvarende "inverst problem" og, basert på denne løsningen, gi de riktige dynamiske inngangene til spinalkretsene.

Bilde 3. 'Bjelleformet' hastighetsprofil


Fremskynde, flytte armen, saktne, stopp. Det høres enkelt, men hjernen må planlegge alt på forhånd, etter at sinnet har bestemt hva det vil at armen skal gjøre (vi kommer ikke inn i det irriterende sinn-kropps problemet av hvordan sinnet initierer og kommuniserer ordrer til hjernebarken). Bare en enkel arm-utstrekning krever koordinering av minst disse fysiske parameterne: avstand, retning, hastighet, friksjon, strekk, innflytelse, akselerasjon, kraft, dreiemoment og tyngdekraften. For å betjene armen i den fysiske parameterplassen, må hjernen sende passende signaler ned nevroner.


Når du tenker på denne interaksjonen (nevroner til bevegelse), er det veldig lite tydelig sammenheng mellom de to. Hva har åpningen av en kaliumkanal i et nevron å gjøre med å løfte en hånd? Men hjernebarken må vite hvilke signaler som skal sendes ned som nevroner for å få signalet til å aktivere riktig muskel. I tillegg må 'avfyringshastigheten' innstilles for å forhindre kaotiske eller spasmiske bevegelser. Underveis må nevronene sende tilbakemeldingssignaler til hjernen for å indikere om ønsket bevegelse fungerer som den skal, slik at hjernen kan gjøre justeringer. Dette blir svært komplisert allerede! Hvordan vet hjernen, skjult i mørket i skallen, alt dette?


"Selv om mange bevegelsesparametere korrelerer med kortikal aktivitet, er årsaken til disse korrelasjonene fremdeles ikke klar. For eksempel er det antydet at retningsfølsomheten til kortikale nevroner er resultatet av en spesifikk organisasjon av inhibitoriske interaksjoner i og mellom nevron-kolonner i hjernebarken. Et konkurrerende synspunkt er at hjernebark- aktivitet er relatert til aktiviteten til tilsvarende muskler som har anisotrope {vs isotrope: identiske egenskaper uansett retning -oversetters forklaring} egenskaper og danner dermed retningsstilling i hjernebarken. Videre er ikke ryggmargskretsens bidrag til retningsbestemt modulering godt forstått."

Bilde 4. Hjerneforskning


For å få tak i dette svært komplekse samspillet skapte teamet en forenklet matematisk modell: en konseptuell arm med kun to ledd og seks muskler, som drives av kontrollkretser som forsøker å bevege den langs horisontalplanet. Likevel gir koordinering av de seks musklene en utfordring. Deres modell "motor-hjernebark" sender signaler til en modell "ryggmarg," med tilbakekobling tilbake til hjernebarken. Signalene går fra ryggmargen til musklene.

"Ved hjelp av vår matematiske modell," sier de, "simulerte vi fra sentrum-utstrekkende oppgaver i 8 forskjellige retninger" for å se om den tilsvarer ekte muskel-bevegelser. Ved å forsterke tilbakekoblingskretsen, kunne de for eksempel lære hvor viktig tilbakemeldingen er for kretsen. De kunne lære om skulderavhengighet, albueavhengighet, muskel-lengder, 'avfyrings'-hastigheter og foretrukne retninger ved å justere signalene. Uten å komme for dypt inn i problemene, gir dette utsnittet fra funnene en smak av kompleksiteten av samspillet:

Bilde 5. Musklbevegelser i nettverk


"Endringene i muskel lengder under bevegelsen er i stor grad avhengig av den relative retningen til skulderleddet på grunn av rotasjons-symmetrien til arm-geometrien . Derfor, i vår modell manifesterer retningsmoduleringen som avhengighet av vinkelen mellom bevegelsesretningen og retningen fra startposisjonen til skulderleddet. Dette er i tråd med en ide om at hjernebarken koder for retning basert på skulderreferanse-rammen , foreslått i andre eksperimentelle og modelleringsstudier."

Interessant ID-ord der: "koder". Forfatterne diskuterer konkurrerende teorier for hvilken informasjon de kortikale nevronene koder for: Er det for statiske parametere? Dynamiske parametere? Retningsbestemt innstilling idet muskler gjør deres ting autonomt? Siden 1982,
"Retningsstilling er generelt vurdert som en nøkkelegenskap for nevral aktivitet i hjernebarken. Imidlertid forblir det kontroversielt om retningsbestemt preferanse er den grunnleggende egenskapen til kortikale nevroner eller en bivirkning av muskelaktivitet eller andre bevegelsesfunksjoner."

Bilde 6. Kompleks og spesifisert koding- tegn på ingeniør-design

Uansett, må hjernen vite hvilke signaler som skal utføre arbeidet sinnet ønsker å gjøre. Så når Johnny mener at han vet svaret på lærerens spørsmål og skyter hånden i luften, så funderer hjernen ut mye matte!
For ekstra kreditt, påminner vi leserne om at hjernen samtidig opererer blodkar i armen, kontrollerer immunsystemet, opprettholder beinene, responderer på følelser fra huden, leverer næringsstoffer fra mat, eliminerer avfall og mer. På en helt annen skala, tenk på all aktivitet som foregår simultant på cellulært og molekylært nivå!


Hvis du ikke er imponert nok allerede, lytt til Steve Laufmann diskutere levende systemer på 'ID the Future' (her og her). I det han kommer fra bygg/arkitektur området, hvor integrerte systemer trenger å jobbe i krevende miljøer, har Mr. Laufmann en ekte mage-følelse for livets kompleksitet som en ingeniør ville se på det. Med inspirasjon fra Dr. Howard Glicksmans 81-delers serie her på Evolution News , "The Designed Body", deler Laufmann med vert Todd Butterfield sin absolutte overbevisning om at overlappende systemkrav i livet er langt, langt utover evnen til tilfeldige variasjoner eller gradvis utvikling.

Tager: intelligent design; fysiologi; PLOS ONE; Steve Laufmann

 

 


Oversatt av Asbjørn E. Lund; Bildene er satt inn av undertegnede, se evt. lenke i Bilde-nr.)