Передача данных в зрительном нерве

[denias]

Недавно задался вопросом какая пропускная способность нервной ткани в битах/с. После некоторого поиска в интернете обнаружил что биологи говорят везде приблизительно следующее

Цитата:

В волокнах большего диаметра, обладающих толстой миелинововой оболочкой, скорость проведения может достигать 120 м/с.

http://ru.wikipedia.org/wiki/Потенциал_действия
Да и вообще нет взаимопонимания между адептами теории информации и биологами. При этом нервную систему организма вполне уместно рассматривать как информационную систему.

Так вот, решил провести грубую оценку количества информации которое может производить глаз человека с инженерной точки зрения. Для этого за исходные данные взял

Цитата:

Каждая сетчатка у человека содержит около 6—7 млн колбочек и 110—125 млн палочек.

http://ru.wikipedia.org/wiki/Сетчатка
Для того чтоб оценить максимальное количество информации которая содержится в сигнале от фоторецептора надо знать подробнее о том как он работает и какие частотные характеристики этого сигнала. Этой информации нигде не нашел, и буду рад если сможете мне подсказать.
Оценить количество информации по формуле Шеннона для непрерывных сигналов задача не простая, поэтому решил задачу в лоб, представил что сигнал от фоторецептора имеет импульсно-кодовую модуляцию(PCM), частота дискретизации которого $f=24 \text{Hz}$, а длина слова $n=8 \text{bit}$. Знаю такой грубый подход возмутит любого биолога, и не корректно проводить такую аналогию. Битрейт фоторецепторов:
$R_\text{п}=f \cdot n=24 \cdot 8=192 \frac{\text{bit}}{\text{s}}$ (для палочки)
$R_\text{к}=3 \cdot f \cdot n=3 \cdot 24 \cdot 8=576 \frac{\text{bit}}{\text{s}}$ (для палочки)
А их у нас $N_\text{п} = 1.2 \cdot 10^8$ палочек, да еще и $N_\text{к} = 6 \cdot 10^6$ колбочек. Скорость передачи зрительного нерва должна быть в таком случае:
$R=R_\text{п} \cdot N_\text{п} + R_\text{к} \cdot N_\text{к}=192 \cdot 1.2 \cdot 10^8 + 576 \cdot 6 \cdot 10^6 \approx 26.5 \frac{\text{Gbit}}{\text{s}}$
Очевидно же что это слишком много и информация с такой скоростью не может передаваться по зрительному нерву. Если взять во внимание что носителями электрического сигнала в биологических системах являются ионы, обладающие на порядки большей массой чем электроны, следовательно большей инертностью, то ширина полосы пропускания зрительного нерва должна быть значительно меньше чем у металлического проводника.
Собственно эти размышления рождают вопросы:

• Какая скорость передачи данных в нервной ткани?
• Очевидно что в нейронных слоях сетчатки происходит какое то очень эффективное сжатие видеоинформации. Как это происходит?
• Мозг рождается со способностью интерпретировать эту информацию обучается это делать в течении жизни?

Рассчитываю на интерес к этой теме со стороны сообщества.

[arseniiv]

Насколько я помню, от колбочки не идёт три сигнала, а просто колбочки трёх типов, так что вашу нижнюю границу можно ещё уменьшить.

И потом, зрительные нервы состоят из большого числа волокон, параллельно передающих сигналы с разных областей сетчатки — почему вы решили, что

denias в сообщении #773778 писал(а):

Очевидно же что это слишком много и информация с такой скоростью не может передаваться по зрительному нерву.

?

[denias]

Ну да согласен что не три. Это в своей грубой модели предположил что колбочка отвечающая за цветовое восприятие передает информацию о трех составляющих цвета.

Цитата:

Количество нервных волокон в зрительном нерве варьирует от 700 000 до 1 200 000

Цитату привел из Глазные болезни под ред. В. Г. Копаевой.
Получается что один аксон должен пропускать $\frac {26.5 \cdot 10^9}{1.2 \cdot 10^6}= 21666 \frac{\text{бит}}{\text{c}}$.
Это как то все равно остается много.

[nikvic]

Вроде бы некоторая первичная обработка происходит ещё около ретины, так что "в голову" идёт информация существенно меньшая, чем возможная первичная.

[denias]

Хотел бы я знать что там за такая первичная обработка которая так эффективно сжимает информацию, причем в последствии мозг ее может восстановить. Знаете где можно почитать на эту тему?

[Munin]

denias в сообщении #773778 писал(а):

Очевидно что в нейронных слоях сетчатки происходит какое то очень эффективное сжатие видеоинформации. Как это происходит?

Это большой и интересный вопрос, который как раз недавно начали исследовать. Даже в новостях писали.

denias в сообщении #773778 писал(а):

Мозг рождается со способностью интерпретировать эту информацию обучается это делать в течении жизни?

Очевидно, что и то, и другое: что-то врождённое, а что-то наученное.

denias в сообщении #773835 писал(а):

Знаете где можно почитать на эту тему?

В текущих научных биомедицинских публикациях, видимо. Это не междисциплинарная тема.

[Allium]

denias в сообщении #773835 писал(а):

Хотел бы я знать что там за такая первичная обработка которая так эффективно сжимает информацию, причем в последствии мозг ее может восстановить. Знаете где можно почитать на эту тему?

а почему вы решили, что мозг может её восстановить? :)) там, как и в джипеге, сжатие с потерями

[Dan B-Yallay]

Allium в сообщении #835550 писал(а):

а почему вы решили, что мозг может её восстановить? :)) там, как и в джипеге, сжатие с потерями

Если не вру, именно на этих "потерях" основаны зрительные иллюзии, кинематограф и многое другое.

[arseniiv]

Часть иллюзий получается, наоборот, от «добавлений» (не в глазу). Например, кажущийся треугольник:

Как можно убедиться, его стороны никак не выделяются на картинке, но он распознаётся как имеющийся там и перекрывающий круги и другой треугольник. Вроде, даже достаточно картинки с одними секторами.

[spyphy]

arseniiv в сообщении #835689 писал(а):

Как можно убедиться, его стороны никак не выделяются на картинке, но он распознаётся как имеющийся там и перекрывающий круги и другой треугольник.

Наверное, это связано с тем, что глаз не видит картинку целиком, а сканирует ее по частям, а в мозгу уже формируется целостное изображение. (принцип работы что-то среднее между настольным сканером и фотоаппаратом)
Поэтому же не думаю, что для нормального зрения нам нужные все $10^8$ палочек. Наверняка, они сделаны с некоторым запасом. Т.е. если к одному нервному волокну подключены 100 палочек, не значит, что вся информация от этих 100 палочек должна идти в мозг, достаточно передать лишь максимальное (либо усредненное) значение интенсивности.

[Vladimir-80]

Информация из центральных областей поля зрения обрабатывается мозгом тщательней, чем из периферических. Глядя на объект прямо, мы получаем очень подробную информацию о нём. Если же объект находится у края поля зрения, мы отмечаем только существенные его изменения: быстрые движения, изменения яркости и тому подобные. Поэтому, оценивая информационные характеристики зрительного аппарата, следует учитывать разную степень обработки мозгом картинки с разных областей сетчатки.

[AlexLib]

В сетчатке есть несколько слоев нервных клеток, которые соединены по принципу "нейронных сетей". В начальный период развития (для людей - месяцы, возможно , 1-2 года) происходит формирование структур этих клеток, соответствующих часто встречающимся образам. Поэтому в дальнейшем в мозг передаются лишь несколько основных характеристик распознанного образа, а вовсе не данные обо всех точках соответствующего образа.
В конце концов мозг получает по зрительному каналу не больше нескольких сот бит в секунду.

[Atlantic]

AlexLib в сообщении #859376 писал(а):

В конце концов мозг получает по зрительному каналу не больше нескольких сот бит в секунду.

Какие несколько сот? даже если посчитать по минимуму это 700 тыщ волокон и пару спайков в секунду, то уже будет полтора мегабита в секунду, в реальности я думаю еще больше, так как здесь ни амплитуда спайка не взята, и расчет велся на статическую картинку. Тем более считаю полным бредом утверждение про "часто встречающиеся образы формируют сетчатку в раннем возрасте." Хотя то что информация от сенсоров подвергается некоему фильтру вполне согласен.

-- 01.06.2014, 13:28 --

Vladimir-80 в сообщении #847842 писал(а):

Информация из центральных областей поля зрения обрабатывается мозгом тщательней, чем из периферических. Глядя на объект прямо, мы получаем очень подробную информацию о нём. Если же объект находится у края поля зрения, мы отмечаем только существенные его изменения: быстрые движения, изменения яркости и тому подобные. Поэтому, оценивая информационные характеристики зрительного аппарата, следует учитывать разную степень обработки мозгом картинки с разных областей сетчатки.

В глазу человека сетчатка, а точнее сенсоры в ней расположены не равномерно, колбочки более плотно к середине и менее к переферии,палчки наоборот, еще есть слепое пятно, которое вы не замечаете, почти в центре, поэтому считаю что кол-во колбочек и палочек. вполне корректно отображает информационную чувствительность.вопрос какого типа то что это аналог пикселей в картинке, меня сильно смущает.

[AlexLib]

Atlantic

Цитата:

считаю полным бредом утверждение про "часто встречающиеся образы формируют сетчатку в раннем возрасте."

- Ваше право. Это утверждение экспериментально доказано для котят в доинтернетовскую эру (примерно середина 70-х годов прошлого века). Есть и немало косвенных доказательств, например, вариации цветового зрения по этническим группам и местам проживания.

[Atlantic]

AlexLib в сообщении #872125 писал(а):

Atlantic

Цитата:

считаю полным бредом утверждение про "часто встречающиеся образы формируют сетчатку в раннем возрасте."

- Ваше право. Это утверждение экспериментально доказано для котят в доинтернетовскую эру (примерно середина 70-х годов прошлого века). Есть и немало косвенных доказательств, например, вариации цветового зрения по этническим группам и местам проживания.

Каким экспериментом? Вариации цветового зрения, это например дальтоники? а есть, например, люди которые слышат цвета, или наоборот видят звуки, что как раз противоречит тем выводам, про эксперимент, о котором вы говорите, образы даже простейшие образуются, в коре головного мозга, и доказывать развивающуюся науку старыми, древними, опытами(вернее выводами из них), как то не суразно, так можно доказывать, с пеной у рта, что Мир это диск, а не шар.