Zatímco v minulém díle nám historičtí vědci nalezli sídlo informačního zpracování obrazu v těle až s detailní přesností, v dnešním díle připojíme elektroniku a budeme odposlouchávat.
Reverse engineering kryptografického čipu pod mikroskopem.
Mozek je jako takový čip, ale váží 1,5 kg a propojení nejsou 2D, ale 3D – vyplňuje vlastně vnitřní objem mozku. Samotné „tranzistory“ (tedy neurony) jsou jako u čipu ve 2D na více vrstvách – mozkové kůře. Je to ale wafer o průměru 0,5 metrů a tloušťce 3 milimetry. Aby se takovéto monstrum (počítač ZX Monstrum?) do hlavy vůbec vešlo, je tato vrstva zmuchlaná jako noviny do koule, a ten zbytek objemu dělají ty dráty – axony, izolované tukem – podobně, jako se například transformátory izolují transformátorovým olejem.
Zatímco běžný čip je tvrdý jako kámen (není divu – některé jeho části jsou dokonce z křemene, zato ale třeba taková žula se v čipech nepoužívá), mozek má konzistenci rosolu. Díky tomu můžeme dávat elektrody nejen na povrch, ale zapichovat je i do libovolného místa v hloubce – a to se nám při reverse engineeringu bude náramně hodit!
Reverse engineering mozku pod mikroskopem. Mikroskopická elektroda snímá signál z neuronů v blízkosti špičky.
Neurony v mozku si můžeme pro naše potřeby představit jako analogová hradla – floating pointové registry s nepříliš vysokou přesností, které dokáží brát signál z mnoha jiných registrů – neuronů, násobit ho konstantními koeficienty, které mohou být buď kladné (80% koeficientů v mozku) nebo záporné (20%), pak to všechno dohromady sečíst a případně i aplikovat nějakou jednoduchou matematickou funkci jako třeba logaritmus, exponenciálu, kvadratickou funkci, odmocninu nebo absolutní hodnotu. Číslo přenášené floating pointovým registrem odpovídá počtu nervových impulsů za sekundu.
Dle mého názoru je to velmi podobné jako zpracování multimediálních signálů v počítači – s tím rozdílem, že díky analogové implementaci si ušetříme A/D a D/A převodníky a s tím asociované otázky Nyquistovy frekvence, kvantizačního šumu, aliasingu, vzorkovacích a rekonstrukčních filtrů a jejich zpoždění a fázových posuvů. Všechny tyhle výpočty probíhají paralelně a nepřetržitě, není tedy třeba řešit různé synchronizace, jak se data budou balit do rámců, schedulovani – tento systém mi přijde skutečně elegantní, jednoduchý a výkonný. V technické řeči bych to přirovnal k analogovému asynchronnímu FPGA.
Teď už víme kudy data v hlavě z oči jdou a kde „přistávají“. Nezbývá, než tam zapíchat nějaké dráty a podívat se, co a v jakém formátu tam běhá.
Sestro, podejte mi motorovou pilu. Dostaneme Nobelovu cenu!
Dalšími borci, kteří se do reverse-engineerovani mozku opřeli, byli David Hubel a Torsten Wiesel z Harvardovy univerzity. Mimochodem Hubel má na svých stránkách dle mého názoru krásnou knihu o vizuálním systému. Hubel a Wiesel vzali kočku, uspali ji, vyřízli ji do hlavy díru a dali ji do speciálního držáku na odposlouchávání mozku. Nakonec jí tam zapíchali dráty.
Ale nebyly to dráty obyčejné, zvonkové. Neurony jsou, podobně jako tranzistory v čipu, mikroskopické – o průměru asi 1/100 milimetru. Nonius na šupleře má dělení na 1/20 milimetru, tak ještě pětinu z toho. Vzali tedy jemnou ostrou wolframovou jehlu a nalakovali ji s výjimkou nejzazšího místečka na špičce. Když takovou jehlu zapíchli, byla lakem izolovaná a tak sbírala signál pouze z neuronu co byl u špičky. Takový delikátní kontakt se také nesmí hnout, protože by každou chvíli snímal jiný neuron. Proto musí být kočka uspaná a její hlava ve speciálním držáku. Mechanika na pohyb jehly je také náročná, musí být precizní.
Problém je také, že mozek se nafukuje a vyfukuje v rytmu tepu srdce (jako v nějakém hororovém filmu), což komplikuje způsob, jak elektrodu vůči mozku stabilně uchytit.
Aby se vyloučily vibrace, které by nám nahrávací špičkou mohly hýbat, může se použít i protivibrační stůl. Vezme se nějaká těžká deska např. kulatý poklop od kanálu, betonový panel, kamenná deska do kuchyňské linky a položí se na staré duše z auta. Ty pak napumpujeme pumpičkou. Vznikly stůl potom nereaguje na vibrace, místo toho jim na duších uhýbá.
Také se hodí kabely nenechat válet na zemi, kdyby o ně někdo škobrtnul, aby se to celé nevyrvalo.
Co z takové jehličky naměříme? Signál v neuronech má asi 70 mV. Jenže do elektrody se nám cedí mezibuněčným materiálem, a dělí jako na napěťovém děliči svodem okolo. Signál je slabý, nepodařilo se mi to přesně najít, ale jsou to milivolty nebo mikrovolty. Na pracovišti EEG, kde to měří přes kdovíjaké izolující vrstvy mezi mozkem a kůží, říkali že tam mají mikrovolty. Impedance zdroje je tuším v řádu megaohmů a kapacita v pikofaradech.
Pro srovnání: multimetr mívá většinou 10 megaohmů, můj 100 MHz osciloskop 1 megaohm 25 pikofaradů.
Neuron produkuje lupání jako z Geigerova počítače. Výhodou pro náš zesilovač je, že šířka pásma je jen pár kHz, ještě menší než audio. To nám pomůže se šumem. Nicméně zesilovač musí být nízkošumový. Takový se dá postavit z 1 nebo 2 obyčejných tranzistorů např. úplně nejtuctovější tranzistor 2N2222 je překvapivě dobrý na nízkošumové audio aplikace.
Zesilovač je podobný zesilovači magnetofonové hlavy která má na vysokých kmitočtech asi 20 kiloohmů induktance a sílu signálu 2 mV. Nebo frontendu z Ronji, která má asi 5 pF, extrémně vysokou vstupní impedanci a je agresivně optimalizovaná na šum. Na rozdíl od magnetofonové hlavy se ale nepožaduje HiFi, protože jde jenom o to, rozlišit přítomnost impulsu.
Problém jsou i kabely. Stínění je naprostou podmínkou. Ale 1.5 metru stíněného kabelu má kapacitu asi 270 pF, což by nám při 10 Megaohmech omezovalo frekvence na 59 Hz. Proto je vhodné dát předzesilovač co nejblíž hlavě kočky („nandej mi do hlavy tvý brouky“), případně použít nějaký složitější obvod, který tento problém kompenzuje elektronicky.
Poté co máme signál zesílený a jsme se šumem za vodou, ho zapojíme do normálního audio zesilovače napřiklad do počítačových bedýnek, tak to dělali Hubel a Wiesel (jejich reprák teda tehdá ještě nebyl počítačový). Nebo ho samozřejmě můžeme nahrávat na jakémkoliv zařízení na nahrávání zvuku. Jde o počet lupnutí za sekundu. Počítač k tomu ani nepotřebujeme, s výjmkou toho analogového, co měříme.
Když vidím, jak obtížné je nahrávat signál z jednoho neuronu, kde si můžeme sondu zapojit přímo do hlavy, domnívám se, že je zcela vyloučené, aby nějaká vláda někomu bezdrátově odposlouchávala myšlenky.
Uspaná kočka v držáku na odposlouchávání mozku. Ještě že nám vlády neodposlouchávají mozek, to by muselo být hrozně nepohodlné!
Tento držák koček Hubel a Wiesel použít nemohli, neboť nesplňuje požadavky na etické zacházení se zvířaty. Šroub na posuv jehly také není dostatečně přesný. Navíc by se snímal signál z neuronů v jiné části těla, než je požadováno.
Pak, dle mého názoru zcela logicky, kočce pouštěli do očí různé obrázky a koukali na osciloskopu co z neuronů poleze, nebo poslouchali jejich lupání v reproduktorů. Problém byl že nic nelezlo, a jak ho vyřešili, se dozvíme v příštím díle.
