Intelligens Rendszerek Elmélete. Biológiai érzékelők és tanulságok a technikai adaptáláshoz. Az érzékelés alapfogalmai

Átírás

1 Intelligens Rendszerek Elmélete dr. Kutor László Biológiai érzékelők és tanulságok a technikai adaptáláshoz Login név: ire jelszó: IRE07 IRE 2/1 Az érzékelés alapfogalmai Modalitás: Fokozott érzékenység a különböző ingerfajtákra Abszolút ingerküszöb: A legkisebb érzékelhető ingerintenzitás Relatív ingerküszöb: A legkisebb érzékelhető ingerváltozás Adaptáció: Hozzászokás az ingerhez Ingerelhetetlen (refrakter) állapot: (abszolút, relatív) Erős ingerlés után az érzéksejt nem reagál Frekvencia moduláció: Az ingernagysággal az ingerület frekvenciája arányos IRE 2/4 A természetes idegi hálózatok specializáltak A hálózat típusa meghatározza a működést (nem univerzális!) Agykérgi érzékelő (receptív) mező Brodmann agyterületek IRE 2/2 IRE 2/5 Az elemzés területei Az idegsejtek típusai A biológiai érzékelés alaptörvényei Információ feldolgozás és továbbítás az idegrendszerben Érzékszervek a bőrben Látás Hallás Fej-, és testhelyzet érzékelés Kémiai anyagok érzékelése (íz, illat) IRE 2/3 IRE 2/6

2 Idegsejt hálózatok és idegpályák IRE 2/ [mv] Nyugalmi potenciál Az érzéksejtek működése Ingerküszöb depolarizáció receptor Na + axon Akciós potenciál Negatív utópotenciál Pozitív utópotenciál IRE 2/10 K+ Központi ideghálók Az erős ingerlés hatása IRE 2/8 IRE 2/11 Az ingerület keletkezése IRE 2/9 Az érzékelhető ingerintenzitás 1. Weber törvény ΔI k = I Szokásos jelölése: k = ΔΦ / Φ Erns Henrik Weber (1834) ΔI = Relatív ingerküszöb (ΔΦ) (éppen észrevehető inger intenzitás változás) I = inger intenzitás (Φ) k =konstans, értékei különböző inger modalitásoknál látás hallás nyomás ízlelés elektromos áramütés IRE 2/12

3 Az érzékelhető ingerintenzitás 2. Fechner törvény É= k * log (I) Szokásos jelölése: Ψ = k log (Φ) É= érzet intenzitás (Ψ) k = konstans I = inger intenzitás (Φ) Gustav Theodor Fechner (1860) A bőr érzéksejtjei Inger modalitások: Nyomás Tapintás Vibráció Hő Fájdalom IRE 2/13 IRE 2/16 Az érzékelhető ingerintenzitás 3. Stanley Stevens (1953) Receptív mező (kétpont küszöb) Stevens törvény É = k * I n IRE 2/14 IRE 2/17 Az érzékelhető ingerintenzitás 3. Bőr érzékszervek jellemzői 1. Weber - Fechner törvény É= k * log I + c Test-szőrök, mint érzékelők: A szőrtüszőt körülvevő idegvégződések az emelő hatás miatt a legkifinomultabb tapintásra (légmozgásra is) érzékenyek. 3-5 o szőr-szögelhajlás ingerületet eredményez. IRE 2/15 IRE 2/18

4 Bőr érzékszervek jellemzői 2. Pacini-test: A bőr alatti zsírszövetekben elhelyezkedő, nyomás érzékeny, vibráció érzékelő Gyorsan adaptálódik Receptív területe 10 mm Vibráció válasza: Hz Ruffini-végkészülék: A bőr mélyebb rétegében található, a bőr felszínnel párhuzamos elmozdulást (nyújtást) érzékeli. Vibráció válasza: 1-16 Hz Kiterjedt receptív területű Meissner-test: A bőr felszíni rétegeiben a nyomást érzékeli Receptív területe 3-4 mm Vibráció válasza: 8-64 Hz IRE 2/19 Fényérzékelő csapok IRE 2/22 Bőr érzékszervek jellemzői 3. A csapok és pálcikák eloszlása a retinán Merkel-diszk (tárcsa): A bőr felszínéhez közel, nyomás (élek, alakzatok) érzékelését végzi Vibrációs válasza: 2-32 Hz Receptív területe: 3-4 mm A bőr nyomásérzékenységi küszöbe: 0,5 mikrométer ms-ig tartó bőr deformáció ingerületet vált ki Szabad idegvégződések: Magas ingerküszöbű, nem ingerspecifikus érzékelő (fájdalom) IRE 2/20 IRE 2/23 Látás Az emberi szem fényérzékenysége Csapok és pálcikák érzékenysége IRE 2/21 IRE 2/24

5 Az emberi látás jellemzői Érzéksejtjei: csapok: ( 6 * 10 6 ) szín ( photopiás ) látás jól megvilágított tárgyak részleteinek látása: pálcikák: ( 6 * 10 6 ) szürkületi ( scotopiás ) látás Abszolút ingerküszöb: 10-9 cd/m 2, fájdalom: 10 5 cd/m 2 Fényintenzitás értékek: Holdmentes csillagfény Erős holdfény Fehér papírlap kényelmes olvasáshoz Fehér papírlap tgeljes napfényban Izzólámpa szála ívfény 10 8 napkorong 10 9 Atombomba robbanás (első 3 ms) IRE 2/25 Hang érzékenység (phone skála) IRE 2/28 Hallás Békésy György Nobel díj (1961) Hang receptora: Érzéksejtjei: A hallás jellemzői Corti szerv (emberben 33 mm) belső és külső szőrsejtek Abszolút ingerküszöb: W/m 2 (1 khz), fájdalom: W/m 2 Magas hangok a csiga bázisán, mély hangok a csiga csúcsán okoznak ingerületet Érzékelési tartomány: ember 16 Hz - 20 khz kutya 35 khz patkány 40 khz egér 98 khz delfin 100 khz Érzékelés tartomány (erősítés) kifejezés db-ben N [Bell] = log I 2 /I 1 N [dbell] = 10 * log I 2 /I 1 I 2 = maximális ingerintenzitás I 1 = ingerküszöb IRE 2/26 IRE 2/29 A csiga (cochlea) működése Egyensúly érzékelés Bárány Róbert Nobel díj (1914) Belső és külső szőrsejtek a csigában IRE 2/27 IRE 2/30

6 A hallás és egyensúlyozás érzékszerve Az érzőszőrök elhelyezkedése crista Halántékcsont (Os temporális) A félkörös ívjáratok cristáiban Az otolith szervekben IRE 2/31 IRE 2/34 Fejhelyzet érzékelés az állatokban Az érzéksejtek működése IRE 2/32 IRE 2/35 Fejhelyzet érzékelés A fejhelyzet (egyensúly) érzékelés jellemzői Emberben az első teljesen kifejlődő érzékszerv Érzékszervei: Statikus fejhelyzet: Otolith szervekkel Utriculus (tömlőcske) Sacculus (zsákocska) Ingere: fejhelyzet + vibráció 400 Hz-ig Dinamikus fejmozgás: Fékörös ívjáratok Ingere: lassú rezgés, gyors fej elfordulás Érzékelési tartomány (rezgés) : 0.08 Hz 32 Hz Érzékenységi küszöb: 0.1 /sec 2 Nyugalmi tüzelési frekvencia: Hz IRE 2/33 IRE 2/36

7 Testhelyzet érzékelés, szabályozás (Gamma hurok elve) IRE 2/37 Szaglás IRE 2/38