Akademik Vilém Laufberger - výzkum regulací  
Živé organismy mají schopnost do určité míry řídit své životní pochody. Výzkum těchto pochodů byl celoživotní náplní akademika Laufbergera. Předpokládá to ovládat několik oborů. Laufberger je zvládnul na světové úrovni. Za objev ferritinu (1935) byl někdy v letech 1956 –1958 nominován na Nobelovu cenu. Zasloužil se o proslulost československé kardiologie. Před 60ti lety napsal první moderní teorii činnosti mozku na světě.

 

Zvětšit obrázek
Vilém Laufberger 1890-1986

Vilém Laufberger se narodil 29. srpna 1890 v Turnově a zemřel 29. prosince 1986 v Praze. Byl synem lékaře z Turnova. Maturoval v Chrudimi v roce 1910. Na lékařské fakultě Karlovy university v Praze promoval 1916 a po roce 1918 zde také krátce působil. 1920 byl povolán vybudovat na nově založené lékařské fakultě v Brně Ústav pro obecnou a experimentální patologii, jehož se stal přednostou. V Brně také 1921 habilitoval. Mimořádným profesorem byl jmenován 1922 a řádným 1927. Byl žákem a spolupracovníkem fyziologa a biologa E. Babáka (1873-1926). 1932 a 1933 byl děkanem lékařské fakulty v Brně. 1936 přešel na UK Praha jako řádný profesor a přednosta fyziologického ústavu. Zde působil ve funkci děkana v letech 1938 až 1939. Za okupace působil ve Státním zdravotním ústavu, kde se zabýval otázkami nervové činnosti. Jeho cílem bylo spojit fyziologii a psychologii. V letech 1939-1947 se mu toto úsilí zdařilo vytvořením vzruchové teorie, v níž předběhl světovou vědu v oblasti, které dnes říkáme neurovědy o více jak 50 let. Ve funkci profesora fyziologie na lékařské fakultě Karlovy university působil i po válce do r. 1952. Po válce se zabýval organizací Československé akademie věd (ČSAV), jejímž členem se stal v roce 1952 a byl jmenován akademikem a náměstkem prezidenta ČSAV. V roce 1953 přestal být přednostou Fyziologického ústavu pražské lékařské fakulty. V rámci ČSAV se v areálu nemocnice na Bulovce stal ředitelem Laboratoře vyšší nervové činnosti, od r. 1973 přejmenovanou na Laboratoř grafických vyšetřovacích metod. Po Laufbergerovi převzal vedení jeho žák Ctibor Dostálek. Laboratoř byla rozšířena a přejmenována na Ústav fyziologických regulací. Laufberger zkoumal především elektrické projevy srdeční činnosti a zabýval se konstrukcí diagnostických přístrojů. Vrcholem byla diagnostika srdce pomocí spaciokardiografie. Na vývoji spaciokardiografu se kromě Laufbergera podíleli J.Prošek a Miroslav Netušil.
Byl laurátem státní ceny (1954), nositelem Řádu republiky, Komandérského kříže řádu Polonia restituta, medaile J.E.Purkyně. Redigoval Československou psychologie v letech 1957 – 1967, celá desetiletí Biologické listy a stál v čele sdružení fyziologů. Fyziologická společnost byla založena 1950 jako sekce Čs. lékařské společnosti J. E. Purkyně a do roku 1955 byl Laufberger jejím předsedou. Fyziologických dnů 1967, tradice založená roku 1957, se zúčastnil jako hlavní referent. Podílel se na vybudování Slovenské akademie věd.

 

 

 


Endokrinologie a vývojová fyziologie:

Zvětšit obrázek
Obr.2 Hormonální přeměna vodního živočicha (nahoře) v suchozemského (dole).

Jeho práce z roku 1913 publikovaná v Biologických listech (O přeměně neotenického axolotla) je dodnes považována za jednu ze základních prací rodící se endokrinologie. Do té doby byl znám jediný hormon, totiž adrenalín, a kvůli jediné látce nebylo nutné hned zakládat další obor. Laufberger tehdy ještě jako student lékařství s tímto axolotlem (obojživelník) experimentoval. Živil jej štítnou žlázou. Po počátečních neúspěších se mu podařilo vytvořit živočicha, jakého do té doby přírodověda neznala (Obr.  2). Uvědomoval si, že provedená metamorfóza je důsledek hormonu obsaženém ve štítné žláze a hledal možnosti, jak tento hormon identifikovat. Shodou okolností vypukla 1. světová válka a jeho záměr byl znemožněn politikou tehdejšího Rakouska-Uherska. Laufberger k tomu poznamenal „Avšak jeho císařské a královské Veličenstvo František Josef I. dovolil se mne mobilisační vyhláškou pozvat k účasti na cestě do carského Ruska. Moje první návštěva v této zemi byla provázena rachotem projektilů všech kalibrů.“ (Malá tajemství života, 1960, dále zkráceně MTŽ). Takový hormón byl později připraven E.C.Kendallem a nazván thyroxin (1917). Objev uměle vzbuzovat metamorfózu z obojživelníků na čistě suchozemské živočichy ovlivnil také bádání o metamorfóze hmyzu. Dnes víme, že v přírodě je možná i spontánní metamorfóza, že vše závisí pouze na přítomnosti thyroxinu nebo trijodthyroninu nebo TSH z hypofýzy. Laufbergerův sen nalézt hormon štítné žlázy nemohl tedy být ani zahájen. Při nedostatku hormonů štítné žlázy vzniká kretenismus. Hormony jsou proto v popředí zájmu fyziologie a klinických endokrinologů dodnes.

 


Na zkušené

Jistou dobu působil též ve Vídni a seznámil se s elektrokardiografem, který byl v době 1. svět. války jediným zařízením toho druhu v Rakousku-Uhersku. Humorně tuto situaci líčí: „Ve Vídni jsem se po prvé prakticky seznámil s elektrokardiografem, který tam byl na Herzstation (vyšetřovna srdce), vedené prof. Hoffmanem. Byla to taková vzácnost, že tehdy jen málo lékařů v celém mocnářství vědělo, co elektrokardiograf vlastně je. Proto také bylo možné na normální elektrokardiograf každého superarbitrovat, tj. osvobodit od vojenské služby.“ (MTŽ). Pracoval na infekčních odděleních na různých místech mocnářství a tak získal znalosti a přehled i v klinické medicíně.

 


Příprava inzulínu

Zvětšit obrázek
Obr.3 Spisy Lékařské fakulty Masarykovy university v Brně.

O několik let později se v jeho brněnském Ústavu pro pokusnou a obecnou patologii podařilo izolovat inzulín z břišních slinivek. Psal se rok 1924 a ústav byl jediný v Československu, který to uměl. Preparát byl ale nečistý a v nepatrném množství, takže žádosti o lék musely být odmítnuty. V práci K biologickému významu vnitřní sekrece (1925) se zabýval vzájemným regulačním působením žláz s vnitřním vyměšováním. Do vědeckého poznání přispěl jak teoreticky (teorie blokády glukoneogenese), tak metodologicky, kdy své teoretické úvahy neustále kontroloval matematickými úvahami o zásobách glycidů v organismu a výdejem energie. Tento způsob uvažování je pro Laufbergera typický a prolíná všemi jeho pracemi (např. také ve Vzruchové theorii). Stál tak přirozeně u počátků oboru, který dnes známe jako biomatematika.

 

Molekulární biologie
Laufberger si stále říkal, že „Buňka nemůže být komůrka s roztokem. V buňce musí být soustava a řád. Vždyť nějaký, byť omezený chaos by nevedl k oněm možnostem zákonité výstavby a zákonitého dění i dědění struktury organismů tak složitých, jakými jsou všechna živá těla. Není prostě možné, aby neexistovala v buňce její mřížka, tj. její druhá ultrastruktura.“ (MTŽ).

Zvětšit obrázek
Obr.4 Celkový pohled na zařízení k měření pH.

Tyto úvahy jej od roku 1926 vedly k systematické práci. Navazoval tak na Purkyňovu buněčnou teorii. Různými způsoby - kyselinami, nárazníky - se mu dařilo buňky přivést k rozpadu. Výzkum jej vedl k závěru o ultrastruktuře buňky: buňka je složena ze stromatu a epiplasmy. „Nositelem struktury je stroma. Stroma se skládá z molekul. Molekuly jsou mezi sebou udržovány ve stálé poloze rovnováhou sil, plynoucích z dissociovaných skupin. Je-li dissociace jednostranně zatlačována, odpuzují se molekuly a dochází ke zvětšování buňky a jejímu rozbití. Jakmile však jest změněna dissociace některého z proteinů, které musí býti rozprostřeny v buňce zhruba stejnoměrně, dojde k okamžitému rozlétnutí buňky na molekuly. Tak lze vysvětliti okamžitou cytolysu. To vede k domněnce, že v buňce jsou mřížky různých potenciálů, které udržují její strukturu. Jejich studium v budoucnosti ukáže teprve specificitu t.zv. živé hmoty. Dosavadní výsledky ukazují, že jejich kvantitativní proměřování není nemožné.“ (Rozbití buňky, 1932, str. 4). Tato „stroma“ byla obalena nukleovou kyselinou. Aby stromatinové buňky mohly reagovat s epiplasmou, usuzuje Laufberger, musí mít buněčná mřížka tvar pásu, který objímá stromatinové molekuly. V roce 1934 zanechal Laufberger pokusy s okamžitou cytolysou. Škoda. V letech 1940-1944 objevuje Oswald Theodore Avery (1877-1955), že nositelem dědičnosti je deoxynukleová kyselina (DNA) a v roce 1953 objevují Francis Crick (1916-2001) a James Dewey Watson (1928) strukturu DNA. Jak nápadně se podobá „buněčná mřížka ve tvaru pásu“ dvojité šroubovici, že? Za objev dostali Crick a Watson 1962 Nobelovu cenu. Laufberger tak v letech 1926-34 stál na počátcích molekulární biologie. Završil je objevem ferritinu. Ale otázka cíleného rozbití buněk - zejména nádorových - je stále živá.


 

Objev ferritinu 
Po výzkumu ultrastruktury buňky se rozhodl studovat tkáňové buňky. V krystalickém stavu bylo známo několik málo bílkovin, ale z tkáňových žádná. Jak ale hledat tkáňovou bílkovinu, když o její činnosti nic nevíme? Jednoho dne jej napadla spásná myšlenka. Pokud se ve výluhu z určité tkáně bude rozmnožovat železo, které lze chemicky snadno stanovit a pokud bude zdokonalovat isolační přípravu hledané bílkoviny, mohl by ji nalézt. Němec Oswald Schmiedeberg (1838 – 1921), nazývaný též otec farmakologie, připravil 1894 preparát z jater, který obsahoval 6 % železa. Pokřtil jej ferratin. Byl na svůj objev tak hrdý, že si jej nechal patentovat. Jenže žádnému vědci se Schmiedebergův experiment nepodařilo zopakovat. Objev zapadl. Laufbergerovi se nakonec podařilo z koňské sleziny připravit bílkovinu, která obsahovala 9 % železa. Zjištěné železo bylo trojmocné, proto bílkovinu nazval ferritin. Důkaz proběhl, jak sám napsal, klukovskou metodou. Vytáhl z kapsy „tajně připravený magnet, přejel jím pode dnem odpařovací misky a viděl jsem, jak zrnka železa putovala poslušně tam, kam jim ukazovaly póly magnetu.“ (MTŽ). O svých výzkumech referoval v Leningradě (1935 - o metodě jak krystalizovat bílkoviny) a v Curychu (1938 - o slezinné a jaterní formě ferritinu). Svými důsledky se objev ferritinu v roce 1935 stal nejzávažnějším. Laufberger tak pomohl léčení jistých anemií. Tak např. v sedmdesátých letech byly vyvinuty radioimunologické metody určování ferritinu v plasmě. Neobyčejně zajímavé jsou práce o ferritinu u holubů. Mají magnetitový orgán, který jim umožňuje orientaci v prostoru a do tohoto orgánu se experimentálně přidávalo železo.
1939 vtrhli do lékařské fakulty na Albertově ozbrojení esesáci. Nahnali všechny obyvatele Purkyňova ústavu, muže, ženy a děti, do vestibulu. Nikdo nevěděl co bude. Vědecká práce byla zakázána, laboratoře a knihovna zapečetěny. Esesácká vojska tak ukončila Laufbergerův výzkum. Definitivně a navždy. Bádání o ferritinu se ujaly cizí ústavy. Další osudy ferritinu již sledoval pouze z dálky. Z původní představy ferritinu jako „skladiště“ železa nezbylo nic. Zjistilo se totiž, že lidský organizmus má železa v těle málo a že ferritin se vlastně podílí na velmi důmyslném transportu železav těle. Transferin, objevený Laurellem, je další látkou, která se podílí na důmyslné soustavě příjmu,dopravy a výdaje železa. Podobných soustav je více. Např. v krvi (soustava udržuje krev na stálé hodnotě kyselosti) nebo v ledvinách (zpětné vstřebávání glukózy, sodíku, draslíku, aminokyselin, apod.). Světovou literaturu o ferritinu nepřestal nikdy sledovat. Velmi jej potěšila zpráva o J.L. Farrantovi z Melbournu, který 1954 popsal struktury molekuly ferritinu elektronovou mikroskopii. Ani se mu nedivíme. Od magnetu v kapse uplynulo pouhých 19 let. 

Elektrokardiologie
Jestliže by jste se Laufbergera zeptali, které místo lidského těla je nejdůležitější, tak by vám bez váhání odpověděl, že uzel Keithův-Flackův. Tento uzel je mikroskopické ústrojí, které se nalézá v srdci na rozhraní duté žíly a srdeční síně. V něm se nalézá vzruchotvorná tkáň, rytmický periodický cyklus chemických reakcí vybavujících vzruch, jenž se šíří nejprve po srdečních síních a poté vzrušuje obě srdeční komory. V roce 1903 se Holanďanovi Vilému Einthovenovi v Leydenu podařilo zkonstruovat přístroj, který byl schopen registrovat srdeční elektrickou aktivitu – elektrokardiograf (EKG).

Zvětšit obrázek
Obr. 5 Titulní stránka publikace Vzruchová theorie.

Kardiologové jsou přesvědčeni, že jejich dvojrozměrné zobrazení elektrické aktivity srdce (teorie srdečního elektrického pole zachycené vlnkami P-QRS-T) toto pole zobrazuje správně. Svoje „správné“ zobrazování podkládají experimentálně-empirickými a klinickými daty (např. charakteristická křivka poinfarktového srdce). Ovšem, namítal Laufberger, nedostatkem EKG nebo VKG (vektorkardiogram – další způsob znázornění elektrické aktivity srdce) je jejich pouhá empiričnost postrádající soustavnost. Za druhé svody signálů nejsou normalizovány na stejnou vzdálenost a proto jsou navzájem obtížně porovnatelné. Za třetí proti vyumělkovaným soustavám souřadnic, kterých v 50. letech již bylo 29, stavěl nejpřirozenější a nejjednodušší soustavu: tři kolmé osy a povrch koule. Poloměr koule je standardizovaná vzdálenost od srdečního elektrického středu, jehož výpočet navrhl. Tuto v roce 1952 navrženou novou soustavu na vyšetřování srdce označil orbitová spaciokardiografie (SKG). Jeho spolupracovník dr. J.Prošek experimentálně porovnával SKG s ostatními 29 snímacími soustavami typu EKG a VKG. Zjistil, že SKG nemá nedostatky, které mají ostatní kardiografické snímací soustavy. Jeho druhý spolupracovník, ing. Miroslav Netušil, byl pak technickým konstruktérem spaciokardiografu. Validitu SKG ověřil Laufberger osobně na sobě, když onemocněl na srdce a na starších SKG záznamech mohl zjistit, že patologické změny se začaly projevovat 6 let před onemocněním. Jak se počítá střed srdce nalezne čtenář v publikaci Malá tajemství života. Václav Král (www.coretvasa.cz7pdf73746.pdf) uvádí, že od přesného vyhledávání srdečního středu Laufberger ustoupil a omezil se na jeho praktické vyhledání vlevo od anatomického středu hrudníku ve vzdálenosti 3 x 4 x 12 cm. Později uznala Americká kardiologická společnost (AHA) pro klinické vyšetření Frankův VKG-korigovaný systém, který ortogonalitu a ortonormalitu elektického středu srdce řeší odporovou sítí (Král, 2006).


 

Spojení fyziologie a psychologie

Zvětšit obrázek
Obr. 6 Příklad programování. Laufberger obrázek popsal takto: „Příklad organizace hybného vzorce. Na obrázku je znázorněn vzorec pro napsání věty BÁBA BACÁ. Pro jednoduchost předpokládáme, že písmeno B je složeno ze dvou pohybů, pro které je již v kůře připraven prováděcí mechanismus, skládající se ze dvou pohybů, označených čísly 1 a 2. Podobně písmeno A se skládá ze tří připravených pohybů, označených čísly 3, 4, 5 atd. Úkolem vzorce je nyní upraviti správný pořad. K tomu cíli jde vzruch po řetězu složeném z 21 neuronů. V první době je vzrušen neuron č. 1, který má postranní větev a ta dovede vzruchy přes zápoj (tj. synapsi) alfa a beta až do konečných hybných vzorců č. 1, 2, 3, 4, 5, čímž je napsána slabika BA. Po šesti dobách dorazí vzruch na šestý neuron, opatřený opět větví, která přes neuron y vede k napsání čárky nad A. Ve stejném smyslu hra pokračuje až do napsání obou slov. Zápojové doby neodpovídají skutečným, nýbrž jsou pouze schematické.“ Z dnešního pohledu na něm vidíme jednu velkou smyčku (iterovací příkaz) sestavenou z 21 neuronů a řadu rozhodovacích útvarů. První rozhodovací útvar (nebo také modul) je sestaven z neuronů 1, 7, alfa; druhý z neuronů 12, alfa, beta, 18; třetí útvar z neuronů 6, 21, gama a konečně čtvrtý z neuronů 17 a delta. Znaky , alfa, beta, gama,, delta označují uzavřené okruhy neuronů – viz další obrázek.

V roce 1939 napadla Laufbergera myšlenka, že podstatou paměti jsou krouživé vzruchy. Během 2. světové války tuto myšlenku rozpracoval do ucelené teorie, kterou nazval vzruchová. Je to učení, které všechny pohyby živočichů od jednoduchých pohybů bezobratlých až k myšlení člověka vykládá jediným pojmem, a to vzruchem (Radil-Weiss, Vesmír, 1975). Publikována byla v roce 1947 v rozsahu 246 stran. Podle Laufbergerových vlastních slov bylo hlavním cílem jeho teorie spojit fyziologii a psychologii. Hlavní teze Laufbergerovy vzruchové teorie jsou:
„1. Projevy života lze shrnout do tří základních vlastností: množivost, výživa a vzrušivost.
2. Vzruch je děj každého anatomického prvku vzrušivého ústrojí odehrávajícího se typicky (tj. v jednotlivém elementu vždy stejně, v různých odchylně) zhruba podle zákona vše nebo nic jako děj předem připravený a se opakující a provázený energetickými projevy. Svalový vzruch se projevuje mechanickou, nervový elektrickou energii. Vzruch je enzymatický děj.
3. Veškerou hybnost (motoriku) lze redukovat na vzruchy.
4. Vzruchy se slučují do vyšších vzruchových vazeb a sice: postřeh, popud, pohnutka a nábor.“. (Pozn.: Laufberger vytvářel zcela novou terminologii definovanou vzruchy jako např. nábor nebo prostupka.)
„5. Teorie paměti spočívá na čtyřech předpokladech (větách): (a) Paměť lze vysvětlit jen na základě vzruchové činnosti. (b) Podstatou (principem) paměti jsou vzruchy kroužící na okruzích složených z nervových buněk.“ (Pozn.: Tuto tezi Laufberger později opustil – diskuse viz níže.) „(c) Paměť lze pochopit jen na základě jejich modelů. (d) Paměť je scelující ústroj.
6. Pociťování (a tím je také vědomí) se pokládá za vzrušení a Laufberger detailně rozebírá jak se k vazbám postřehu, popudu a pohnutky vážou pocitové vzruchy.“ (Kapitola má 38 stran..).
„7. Řeč je prostředek k tvorbě popudů a pohnutek a k přenosu zkušeností. Vztahy jsou uskutečněny asociacemi.“ (Kapitola má 28 stran.)
„8. Jednání (chování) je řetězový proud vzruchových vazeb, tj. sekvence postřehu-pohnutky-popudu-náboru a cyklicky opět počínaje postřehem a konče náborem.” (Kapitola má 28 stran.)

 

Zvětšit obrázek
Obr. 7  Uzavřené okruhy s určitým rytmem. Paměť pro psaní věty BÁBA BACÁ je rozvedena do dalších detailů, které zde nebudou kvůli jejich rozsáhlosti uvedeny

Publikace vyšla dva roky před světově známou knihou Norberta Wienera (1894-1964) Cybernetics (1949) a je kybernetečtější než práce zakladatele kybernetiky. A to nejen z toho důvodu, že vzruchová teorii mozku vycházela z dvojkového systému s jednotkami vzruch a žádný vzruch. Zatímco matematik Wiener se ve své práci omezil na matematické vzorečky a uvahy o sociálních důsledcích automatických továren, Laufberger svou teorii místy dotáhl až k samotnému programování. Domnívám se, že si to jak jeho současníci, tak také dnešní vědecká generace neuvědomuje (viz Obr.6).



 


V souvislosti se Vzruchovou theorii je nutné se zmínit o nové informační technologii - umělé neuronové sítě. Tato nová technologie využívá matematické funkce, které napodobují činnost biologických neuronů. Připomeňme si, že rokem zrodu neuronových sítí (subsymbolický přístup ke zpracování informací) se v dosavadní literatuře uvádí rok 1956. V tomto roce se konala konference nazvaná Dartmouth Summer Research Project. Konference se zúčastnili také stoupenci umělé inteligence (symbolický přístup ke zpracování informací). Oba přístupy se v této době uplatňovaly ještě souběžně. Výzkum umělých neuronových sítí pak byl potlačen v důsledku jejich chybného hodnocení. 1986 povstaly neuronové sítě z popela publikací James L. McClellanda a Davida E. Rumelharta Parallel Distributed Processing. Krátce po svém vydání se publikace stala biblí neurověd. Ve stejném roce Laufberger umírá. Před rokem 1956 se za ideové předchůdce nejčastěji uvádějí, William James (Psychology, 1890), Alan M. Turing (Computing Machinery and Intelligence, 1936), Warren McCulloch a Walter Pitts (A Logical Calculus of the Ideas Immanent in Nervous Activity. Bulletin of Mathematical Biophysics 5, 115-133, 1943), Norbert Wiener (Cybernetics, 1949), Donald Olding Hebb (The Organization of Behavior, 1949). O Laufbergerovi ani slovo, ačkoliv všechny tyto vědce a celou řadu pozdějších předčil celkovým záběrem, teoretickou rozpracovaností a novostí myšlenek. Důvodem je, že světová veřejnost Laufbergerovu práci nezná a bylo by dobré ji s ní seznamit. Domnívám se, že myšlenkovým zrodem umělých neuronových sítí je Vzruchová theorie a rok 1947. Na počítačovou implementaci nebyly podmínky. Jednak ještě nebyly k dispozici počítače, jednak byla kybernetika na počátku 50. let odbyta jako buržoazní pavěda. Pravděpodobně také z toho důvodu, že Wiener nahlas uvažoval o nezaměstnanosti v důsledku automatizace v továrnách.

 

 

Zvětšit obrázek
Obr. 8  Mechanismus zapojení kruhových sloupců s mřížkou. Zapojení písmenové. Vrstvy kreslíme jen schemticky. Je takové, že ze kteréhokoliv čtverečku (čtvereček je totéž jako neuronové pole) ve vstupní mřížce zastupujícího větší uzavřený okruh mohou dojíti vzruchy do každého kruhového sloupce. Na schematickém zapojení je čtvereček spojen se sloupcem jen jednou drahou. Každý neuron však potřebuje aspoň 100 větví pro každý sloupec.“ (str. 138).

Laufberger rozhodně patří mezi spoluzakladatele teoretické neurovědy a za objevitele umělých neuronových sítí. Ve Vzruchové teorii jsou jednoznačné formulace ve smyslu umělých neuronových sítí, vyslovené ale před 1947: „.... spojení z každého psychického okrsku (tj. arei) do každého jiného (okrsku) ...“, „... zapojení ze všech psychických okrsků do všech okrsků hybných.“ (str. 100). Zcela jednoznačný ve smyslu umělé neuronové sítě je také Obr. 8.

 

 

Zvětšit obrázek
Obr. 9 Klasický perceptron Rosenblatta (1958).

Ve Vzruchové theorii publikoval Laufberger celou řadu modelů. Některé na svou implentaci stále ještě čekají, některé z nich již byly znovuobjeveny. Jako např. perceptron (1957). Model vytvořil Frank Rosenblatt (1928-1969, americký psycholog a informatik). Je to technická realizace Laufbergerova mechanismu z Obr.  8. Než obojí porovnáme, vysvětlíme si jeho fungování. V klasickém perceptronu Rosenblatta (Obr.  9) přijímá retina (optický senzor, image sensor) binární vstupní hodnoty. Signály jdou dále přes pevné deterministické spoje do zobrazovacích neuronů. Proč? Vrstva těchto neuronů slouží jednak jako místo k uchování signálů (zapamatování), jednak k výpočtu váženého výstupu do další vrstvy neuronů. Ze zobrazovacích neuronů postupují signály po pravděpodobnostních drahách do asociačních neuronů. Rosenblattův nápad byl, že neurony této vrstvy, rozumějme matematické funkce, naleznou určité vzory zobrazené na retině a budou řídit výstupy.

 

Na Obr.  6 je ukázáno, jak si Laufberger představoval napsání věty BÁBA BACÁ. Jeho představa pamatování této věty je popsána na Obr.  10, Obr.  11, Obr.  12, Obr.  13 a souhrnně na Obr.  8. Abychom byli schopni číst, musíme mít obraz písmen a také významy písmen a slov již uloženy v paměti.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 










Obr.  10  Neuronová mřížka. „Vstupní proud vzruchů dostává se na neuronovou mřížku. Hustota korové mřížky může být různě hustá a bylo by ji možné pokusně zjistit. Mřížka pro čtení není určena pro rozlišování, nýbrž naopak ke scelení. Různě psaná a mají být čtena stále stejně, což vyžaduje mřížky scelující, tj. funkčně o malé hustotě. K posílení představivosti nakreslíme si nejprve řadu 7 vstupních neuronů, ukončených uzavřeným kruhem.“ – viz Obr.  11.

 


 

 

 

 

 

 

 










Obr.  11  Vzrušení uzavřeného kruhu vstupními neurony. Po neuronech (svislé čáry) postupují vzruchy a podrážďují neurony uzavřeného okruhu. Poskládána ny sebe tvoří uzavřené okruhy neuronové pole – viz Obr.  12.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 










Obr.  12  Pamatování tvaru neuronový polem. „Písmeno A je rozvrženo na plochu 20 x 20 neuronů“. (na obraze je ale pouze 19 x 19 uzavřených neuronů nedokreslených do kruhu). „Objasníme nejprve pamatování jednoho písmene. Neurony v této mřížce lze očíslovati postupně. Pak např. písmeno A vzrušuje neurony 70, 109, 111 atd. Každá řádka tohoto písmenkového pole neuronů je vedena na uzavřený okruh o 20 neuronech. Bude to činiti dohromady 20 okruhů. Dvacet okruhů po 20 neuronech zařaděných pod sebou může tudíž udržovati stále tvar písmene A. Neuronový útvar, který jsme zkonstruovali nazveme okruhovým sloupcem.“  - viz Obr.  13.

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr.  13  Kruhové sloupce. „Do okruhového sloupce lze umístit kterékoliv písmeno abecedy. Stačí sto kruhových sloupců pro různá, malá i velká písmena jedné abecedy.“ Ve vzruchové teorii je ještě rozveden vznik slov ve slovní neuronové vrstvě, vznik a pamatování slovních významů, paměť pro psaní a konečně vznik a pamatování popudu a automatizovaných pohybů. Pro celkovou rozsáhlost tato schémata neuvádím. 


Porovnáme-li Obr.  8 s  klasickým perceptronem ( Obr.  9 ), je jejich vzájemná podobnost značná. Zobrazovací neurony perceptronu jsou na Obr.  8 reprezentovány čtverečky nebo-li neuronovými poli. Na Obr.  14 vidíme Rosenblatta s optickým senzorem, který má stejný počet snímacích pixelů, totiž 20 x 20, jako Laufbergerova neuronové pole na Obr.  12. Asociační neurony na Obr.  9 se ve vzruchové teorii jmenují kruhové sloupce (Obr.  13). Z vyobrazení je zřejmé, že se v nich předpokládají nějaké asociační nebo slučovací (sumační) funkce – viz věta „Každý neuron však potřebuje aspoň 100 větví pro každý sloupec.“

 

Zvětšit obrázek
Obr. 14 Objevitel perceptronu Frank Rosenblatt s 400 pixelovým (20 x 20) optickým senzorem počítače Mark 1 Perceptron, jehož byl také konstruktérem. Photo courtesy of Arvin Calspan Advanced Technolgy Center. (Robert Hecht-Nilsen: Neurocomputing, Addison-Wesley, 1990).

Model perceptronu (The Perceptron, 1958) uložil Rosenblatt do počítače Mark I (1960), který byl jako první počítač na světě schopen se učit chybou a omylem. Koncept krouživých vzruchů zužitkoval také D.O.Hebb (1904-1985). Na rozdíl od Laufbergera jej ale vůbec nerozpracoval a zůstal pouze u kreslení kružnic. Svou knihu The Organization of Behavior psal v letech 1944-1947 a publikována byla 1949. V 50. letech se jeho model pokoušel implementovat Nathaniel Rochester se spolupracovníky ve výzkumných laboratořích IBM. První pokusy byly neúspěšné, ale s Hebbovou pomocí se simulace jeho modelu údajně zdařila. Údajně se o Laufbergerově teorii zmínil nebo o ní referoval nebo ji ověřoval Ralph W. Gerald (What is memory, Scientific American, 189,118-26,1953 – údaj pochází od Milana Nakonečného, kat. psych. FFUK).
Krouživé vzruchy jako základu paměti Laufberger v 60. letech zavrhl: „Kdyby však tento řetěz byl stočen do kruhu, pak vzruch na posledním vlákně přeskočí na první vlákno a vzruch bude kroužit stále v jakémsi bludném kruhu. Na výklad pravé paměti tato domněnka nestačí, může jen napomoci pro výklad dějů určitou dobu trvajících, např. vědomých.“ (MTŽ, 1960). Zavrhl je ale ze špatného důvodu. Krouživé vzruchy se s velkou pravděpodobností uplatňují u krátkodobé paměti. Opakování nových poznatků je pravděpodobně také kroužení vzruchů. Zavrhl je přesto, že např. v modelu paměti (ale také v řadě jiných) uvedl, že se jedná pouze o schémata a reálný průběh vzruchů je mnohem komplexnější. Zavrhl je přesto, že hovořil o větvení vzruchů  - viz jeho věta „Je takové, že ze kteréhokoliv čtverečku ve vstupní mřížce zastupujícího větší uzavřený okruh mohou dojíti vzruchy do každého kruhového sloupce.“ Vzruchy v jeho teorii nemají vlastnosti mechanických algoritmů, nýbrž vlastnosti neuronových sítí. A v nich je kroužení signálů (iterace) důležitou podmínkou. V případě simulovaných sítí na běžných typech počítačů se k nějakému výsledku neuronové sítě v některých případech dopracují teprve až po řádově tisícich krouženích nebo-li výpočtech. Navíc v biologických neuronech také nekrouží vzruchy po geometricky vymezených kružnicích vzhledem k jejich velké propletenosti. K tomu existují následující důvody: Za prvé, vzruchy vstupují do neuronu z mnoha dendritů a vystupují z axonu také řadou synapsí. Za druhé, navíc na jednom neuronu může existovat několik vzruchů současně v závislosti  na rychlosti vedení vzruchu, délce refrakterní fáze a délce neuronu. Má-li neuron např. delku 1 cm, vzruch se na něm pohybuje rychlostí 1 m/sec s refrakterní fází 1 , pak může současně vést 10 vzruchů. Stejný počet vzruchů může nést také nerv dlouhý 1 m, refrakterní fáze 1 , rychlost 100 m/sec. Otázkou je, zda se vzruchy pohybují v nervech jako jednotlivé signály a význam mají proto, že pocházejí od určitého smyslu nebo ve smysluplných skupinách. Zda tedy dostávají nějaký význam v příslušných senzorech nebo cestou do thalamu, případně cortexu. (Pozn.: Ke kódování signálů se ve výpočetní technologii používají různé systémy. Tyto systémy jsou proto různé, poněvadž splňují vždy určité požadavky na ně kladené. Např. vyskytují-li se znaky s danou pravděpodobností, můžeme na vytvoření kódu použít Fano metodu. Vytvořený kód má variabilní délku slov s nízkou redundancí. Při jiných požadavcích se použijí jiné postupy.) Je dost pravděpodobné, že nervový systém přenáší do mozku zakódované informace (tj. kvantitativní ve smyslu informační teorie). Jakou metodu nervový systém používá mi není známo. Za třetí, v neuronech existují nano struktury, které se pravděpodobně podílejí na převádění vzruchů. A zde opět platí řečené v předchozím bodu, tj. na těchto strukturách se také může přenášet nebo udržovat několik vzruchů současně. Za čtvrté, experimentálně bylo pomocí EEG zjištěno krouživé napěťové pole na povrchu hlavy (H.Petsche, Susan C. Etlinger: EEG and Thinking, 1998).
Vzpomeňme na Laufbergerova slova: „V buňce musí být soustava a řád. Vždyť nějaký, byť omezený chaos by nevedl k oněm možnostem zákonité výstavby a zákonitého dění i dědění struktury organismů tak složitých, jakými jsou všechna živá těla.“ Vztaženo na vzruchy dospějeme ke tvrzení: Není prostě možné, aby neexistovalo zákonité uspořádání vzruchů – např. do skupin. Není možné, aby neexistovaly kódy jednotlivých smyslů, které jsou nakonec kódovány respektive dekódovány do jednotného pocitového kódu.
Nervový systém mu byl inspirací k řadě konceptů, které byly později popsány pod jinými jmény softwarovými designery. Tak kroužení vzruchů upomíná iterační příkazy. Deflektor (v Laufbergerově terminologii prostupka Obr.  15) upomíná rozhodovací příkaz. Stratifikace (vrstvení mozkové kůry) upomíná stromové grafy softwarového inženýrství. Z kombinace stromového grafu a prostupky získal Laufberger „zařízení“ na filtrování vzruchů.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr.  15  Deflektor alias prostupka. „Přívodní neuron P vzbudí vzruchový sled na uzavřeném okruhu  a ten krouží na něm nepřetržitě. Nemůže však podrážditi odvodný neuron O, poněvadž tento je nadán vzrušivostí sumační. Teprve, když z přívodního neuronu po druhé přijde stejný sled vzruchů, podražďuje se odvodný neuron současně dvěma vzruchy a převede tak tento sled vzruchů na neuron odvodný. Vstupní neuron uzavřeného okruhu V je nadán určitou refrakterní fází – např. čtyřdobou, která se krouživým vzruchem po krátké zpětné větvi stále obnovuje. To způsobí, že uzavřený kruh jednou podrážděný je pro jiné vzrušení refrakterní (1947, str. 121).“ (Pozn.: Pojem prostupka se špatně překládá, proto deflektor.)


Pochopení činnosti mozku zůstává otevřenou otázkou. Idea krouživých vzruchů ale nebyla pohřbena a žije dále v nejrůznějších koncepcích. Např. vědomí (což je druh pocitu) nebo krátkodobá paměť jsou jevy, jejichž udržení po určitou dobu vyžaduje kroužení vzruchů. U vědomí to jsou pravděpodobně 2 sekundy, po které trvá nějaký zážitek. 
Z dnešního hlediska se mozek jeví jako orgán schopný sám sebe strukturovat a programovat. V mozku vznikají během života organizmu totiž jak nové neurony, které mozek nově strukturují, tak také nová spojení mezi starými i novými neurony. Případné biologické programy v mozku je tedy nutné hledat ve struktuře synaptických spojeních mezi neurony, tj. jakou síť biologické neurony vytvářejí. Umělé sebe strukturující neuronové sítě zkonstruoval např. Teuvo Kohonen (1982, self-organizing feature maps, SOFM). Předchůdci SOFM jsou modely K-průměr (K-means) a vektorová kvantizace (vector quantization).

 


První počítač v Československu ?
Laufberger se intenzívně zabýval také výzkumem reakčního času. Měl být pomocnou vyšetřovací metodou při určování polohy a rozlohy nádoru na mozku. Očekával, že s pomocí reakční doby a jejím novým rozčleněním bude možné určit místo, kde by měla být otevřena lebka k odstranění nádoru. Reakční čas byl měřen elektronickým počítačem (Malá tajemství života, str. 112), jehož konstruktérem byl ing. Vladimír Novák. Laufberger uvádí, že počítač byl vyroben pouze podle návodů v zahraničních časopisech. Jednalo se o návody na automaty se dvěma stavy, tzv. flip-flopy. Z nich byl potom počítač sestaven. Rok neuvádí a lze jen předpokládat, že to bylo v letech 1953 až 1954. V literatuře uváděný první československý počítač SAPO (SAmočinný POčítač) začal pracovat roku 1954. Konstruktérem byl Antonín Svoboda (Vesmír, 1999). Jsou-li tedy údaje Laufbergera správné, byl počítač ing. V. Nováka postaven souběžně se SAPO. Počítač sám se podle osobního sdělení Doc. MUDr. Ctibora Dostálka, DrSc. nezachoval. Pokud je mi známo, existovaly po válce na celém světě tři počítače. Americký Eniac, anglický Colossus a německý Z4, tj v pořadí čtvrtý Z-počítač, činný kolem roku 1954 na ETHZ (Eidgenössische Technische Hochschule Zürich). Tvůrcem byl Němec Konrad Zuse, působící během 2. svět. války v Berlíně.
Doba po 2. světové válce nebyla ještě zralá a sotva si kdo dovedl představit s jakou rychlostí se vyvine počítačová technologie. A tak si Laufberger posteskl: „Vytvářet generalizace je klíčový úkol vývoje strojového myšlení. Ale tehdy byly všechny tyto věci posuzovány s podivnou, nepochopitelnou skepsí.“ Dnes si naopak v záplavě poznatků ani neuvědomujeme souvislosti, které po 2. světové válce byly ještě přehlédnutelné. Laufbergerova teorie byla první moderní teorii činnosti mozku. V jistém smyslu zůstala do dnešního dne nedostižena, poněvadž současné teorie mozku modelují pouze určité části nebo vlastnosti mozku. Žádná z nich ale nemá za cíl spojení fyziologie a psychologie (pokud je mi známo), žádná z nich nemá rozsah od vzruchu přes vědomí k řeči a jednání. Naproti tomu současné teorie jsou již propracovávány až na úroveň počítačových programů.
Vilém Laufberger - to byl neobyčejný intelekt, neobyčejná invence, neobyčejná píle a vytrvalost. Závěrem zmiňme ještě, že na Nobelovu cenu byl nominován akademikem Jurajem Antalem (osobní sdělení doc. Dostálka).

 

 


Informační zdroje:
Dostálek C.: Dílo Viléma Laufbergera, Československá fysiologie, 30, 97-99, 1981.
Dostálek C.: Předmluva v publikaci Laufberger V.: Malá tajemství života, 1990.
Král, V.: Spaciokardiografie. K 20. výročí úmrtí akademika Viléma Laufbergera. Cor et Vasa 2006, 48(9), Kardio.
Laufberger V.: Malá tajemství života, Academia, Praha, 1960, 1990.
Laufberger V.: Vzruchová theorie, Spolek českých lékařů, Praha, 1947.
Laufberger V.: Rozbití buňky I, Spisy Lék. fak. Masarykovy univ. v Brně, sv.XII,4,1932.
Meteor, populárně vědecký magazín Český rozhlas Praha, 20.srpna 2005.
Tomáš Radil-Weiss: Vzruchová teorie téměř po třiceti letech. Vesmír, 54, 249, 1975, 8.
Vysoký Petr, Počítače z Loretánského náměstí, Vesmír 78, 632, 1999/11. 

 

 

 

 

 

 


 

Datum: 01.06.2007 15:29
Tisk článku

Související články:

Koroljov se narodil před 100 lety     Autor: Miroslava Hromadová (12.01.2007)



Diskuze:

Frajer

Colombo,2007-06-01 19:50:05

tolik věcí, chudák že nebyl doceňen. A pěkný dlooooouuuhý článek.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace