سیستم بویایی و الگوییابی

تشخیص رز از یاس
موجودات کرم‌مانند اولیه فقط قدرت تشخیص غذا از شکارچی رو با تک‌نورون بویایی داشتند. اونم با اتصال ساده بین نورون حرکتی و نورون بویایی.
این مساوی بود با کمترین درک از محیط اطراف.
برای درک بهتر این موضوع یک مثال می‌زنم.
دست به یک سوزن تیز یا جسم داغ برخورد می‌کنه، چه اتفاقی می‌افته؟ به‌صورت رفلکسی دست رو عقب می‌کشیم. هیچ الگویی ساخته نمی‌شه. نورون‌های دمایی و لمسی مستقیم به نورون‌های حرکتی وصل می‌شن و اونارو فعال می‌کنن.
چطور سیستم بویایی ما می‌تونه رز و یاس رو از هم تفکیک کنه؟
پاسخ در فرایند تشخیص الگو مغز ما نهفته است.
فرایند تشخیص الگو به ما کمک می‌کنه با تعداد کمی نورون تعداد زیادی بو رو تشخیص بدیم. مثلا با ۵۰ نورون مختلف می‌شه بیش از ۱۰۰ تریلیون الگو بویایی رو تشخیص داد. این در حالیه که انسان‌ها حدود ۴۲۰ نوع مختلف نورون یا گیرنده بویایی دارند. تعداد بسیار زیادی از این انواع مختلف کنار هم قرار دارند و مثل یک کاغذ مچاله شده پشت بینی ما قرار گرفتند، درست در مسیر جریان عبور هوا به سمت شش‌ها. اگر این کاغذ مچاله شده رو اتو کنیم به حدود ۱۰ سانتی‌متر مربع می‌رسه.
این نورون‌های بویایی با چه الگویی خاموش و روشن بشن می‌تونن ادراک بویایی متفاوتی ایجاد کنن.
درست مثل اجداد اولیه ماهی مانند ما.
ماهی‌های لپری توی سیستم بویایی‌شون هزاران نورون بویایی داشتند.
حدود 50 نوع مختلف. هر نورون به یک‌سری از مولکول‌ها واکنش نشون میده. بیشتر بوهای اطراف ما تک‌مولکول نیستند. ترکیب چند مولکول هستند. مثل لوندر و مولکول‌های متعددی که داره. یا حتی بوی نان داغ که اونم از مولکول‌های متعددی تشکیل شده.
برای تشخیص بو یا الگو سیستم بویایی باید دو تا چالش بزرگ رو حل کنه.
چالش اول:
تمایز. مثلا مولکول‌های مشترک در روایح مختلف.
لینالول در لوندر
لینالول در برگاموت
وقتی یک رایحه به مشام ما می‌رسه براش یک الگو ساخته می‌شه که بخش هایی از اون مثل هم هستند چون مولکول‌های مشترک دارند پس الگو بویایی لوندر و برگاموت بخش های شبیه به هم دارند. حالا سیستم بویایی باید تفاوت‌هایی که درک می‌کنه بین این دو رایحه رو متمایز کنه.
چالش دوم:
پرتقال شمال رو بو می‌کنیم و برامون مشخص می‌شه که پرتقاله.
دفعه بعد یک نوع پرتقال دیگه مثلا پرتقال جنوب رو بو می‌کنیم.
الگو بویایی میتونه تا حد زیادی یکسان باشه. همونطور که در آموزش مقدماتی در مورد دسته‌بندی متریال صحبت می‌کنیم.
برای درک بهتر تشخیص بو بریم سراغ ماهی ها، نزدیک ترین اجداد اولیه ماهی مانند ما
گیرنده های مولکول‌های بویایی متفاوت بوئ رو دریافت می‌کنن، روشن میشن و یک پیغام عصبی دارند که باید منتقل بشه. این نورون‌های آکسون هاشون رو می‌فرستن به جایی از مغز ماهی که قشر یا کورتکس نام داره . جایی که سه لایه نورون هاست ولی نورون های هرمی، نورون هایی که به شکل هرم هستند و هزاران دندریت دارند. که پیغام‌های عصبی رو دریافت می‌کنن و می‌تونن هزاران سیناپس با نورون‌های ورودی بسازن.
به نظر می‌رسه نورون‌های هرمی اولین نورون هایی بودن که برای تشخیص الگو فرگشت پیدا کردن.
الگوهای بویایی در نورون‌های هرمی ساخته می‌شه.
بوی شکارچی به ماهی می‌رسه ماهی متوجه می‌شه الگو ساخته می‌شه تقویت می‌شه اون بو یادش میمونه. یک‌سری نورون‌های بویایی با نورون های هرمی مرتبط هستند تا اون بو تشخیص داده بشه. با هم روشن و خاموش میشن.
راه حل چالش‌ها:
دو ویژگی این ساختار.
تعداد انواع نورون های بویایی کم است ولی تعداد نورون های هرمی زیاد. همین تعداد کم نورون‌های بویایی به تعداد زیادی نورون های هرمی وصل می‌شن و می‌تونن الگوهای زیادی برای تشخیص انواع مواد بسازن.
هر نورون بویایی به‌صورت پراکنده به تعداد بیشتری نورون هرمی وصل می‌شه نه همه اونا. پس الگوهایی که در این شبکه قرار دارن می‌تونن با فاصله از هم قرار بگیرند. همین موضوع باعث می‌شه وقتی دو نوع پرتقال رو بو کنیم چون الگوهای اونا با فاصله از هم قرار دارند به راحتی برای مغز ما تفاوت های اونا قابل تشخیص هستند.
یک مثال دیگه برای ساده‌سازی موضوع. برای مثال وقتی میخوایم لوندر رو تشخیص بدیم 10 نورون بویایی ما درگیر می‌شه ، که هر کدوم با 100 تا نورون هرمی اتصال برقرار کردن. برگاموت هم به همین ترتیب، دو مولکول از 10 مولکول این دو ماده با هم یکسان هستند و 8 تا مولکول متفاوت دارن. 8 تا گیرنده متفاوت هر کدوم با 100 تا نورون هرمی اتصال دارن که می‌شه 800 تا نورون هرمی، پس اختلاف خیلی بزرگی رو ایجاد می‌کنه و الگوهای ساخته شده تفاوت زیادی دارند. اینطوری بو ها از هم تفکیک میشن.
برگردیم به مثال پرتقال، نورون های هرمی با نورون های اطرافشون هم سیناپس تشکیل میدن، اینطوری رایحه گسترده می‌شه، که بهش خود تداعی گری هم میگن. اینطوری که دفعه بعد که بوی کمی متفاوت به مشام می‌رسه سیم‌کشی‌های جدیدی با نورون های متفاوتی ایجاد می‌شه و این الگو هر بار کامل‌تر می‌شه.
وقتی یک رایحه جدید به مشام ما می‌رسه ابتدا خیلی مغز ما دوست داره شبیه به اون رایحه رو پیدا کنه و بهش وصلش کنه و تعمیم بده. این کار برای مغز خیلی کم‌هزینه‌تره. مغز ما دوست داره از منابعی که داره کمتر استفاده کنه و کارایی بیشتری داشته باشه. پس اولین باری که یک ماده رو بو می‌کنیم خیلی راحت‌تر میتونیم مشابه هاشو پیدا کنیم.
از همین سیستم‌های تشخیص الگو در هوش مصنوعی هم استفاده می‌شه. مثل باز کردن قفل گوشی با تشخیص چهره که خیلی نزدیک به سیستم الگوییابی بینایی انسان‌ها عمل می‌کنه. البته که سیستم بینایی انسان به‌شدت پیچیده‌تره ولی الگوییابی هوش مصنوعی از مغز انسان الهام گرفته شده.