Støyreduksjon: En bemerkelsesverdig designløsning innen biologi
David Coppedge; 21. august 2023 Oversatt herfra

Slanger skal være immun mot sin egen gift. Elektrisk ål skal ikke sjokke seg selv. Og beskyttelse mot selvgenerert støy krever et forhåndsplanlagt støydempings-system.
I en utsendelse i nåværende biologi diskuterte Leonard Maier et biologisk krav mange ikke tenker mye på: hvordan man kan ignorere sin egen støy. å eliminere selvgenerert støy, sier han, oppnås ved "aktiv sensing.""Dyr bruker aktiv sensing for å undersøke omgivelsene. De aktive sanseinngangene må diskrimineres fra de som oppstår uavhengig av miljøsignaler. En eksperimentell og modelleringsstudie har avdekket hvordan presis kontroll av dendritisk nivåøknings utbredelse bidrar til slik diskriminering."

Bilde 1. Delfin må kunne avsondre egne signaler -fra motatte

Studien referert av Maier ble publisert i Current Biology av Muller, Abbott og Sawtelle. Det innebærer litt tung lesning i nevrovitenskap, men den grunnleggende ideen er lett å forstå. Hvis du prøver å lytte til noe mens du lager høye lyder selv, trenger du en måte å subtrahere din egen støy på.
Biologisk støydemping fungerer på nevronnivå. Den grunnleggende ideen med "spike backpropagation" er at den mottakende nevronen sender nøyaktig kontrollerte signaler til den sendende nevronen med et "bilde" (så å si) av sin egen støyprofil. Dette negative bildet avbryter støydelen av det komplette signalet, og eliminerer selvgenerert støy fra det mottatte signalet, slik at hjernen bare får miljøsignalet.

Som analogi kan du vurdere hvordan James Webb Space Telescope avbilder ekstremt svake objekter i den infrarøde delen av spekteret. Teleskopet og dets instrumenter genererer varme som vil fjerne alle fotoner fra målobjektet. En metode er å avkjøle instrumentene så langt som mulig for å redusere selvgenerert varme. Dette gjøres med flytende helium. En annen metode er å subtrahere spektrale linjer generert av teleskopet.
Støydemping brukes også av Exoplanet-søk, som gjort av Kepler Mission (2009-2018). Den spektrale signaturen til en transiterende planet vil normalt bli overveldet av lysstyrken til vertsstjernen. Astronomer subtraherer stjernens lys før og etter transitten for å oppdage planeten. Det kretsløpende solforsobende SOHO brukte en lignende metode med dens koronagraph, og skapte en kunstig formørkelse som blokkerte solens sterke lys slik at den svake koronaen kunne observeres. Støydemping utføres visuelt i adaptiv optikk og fotografisk støyreduksjon, og hørbart med Dolby støyreduksjon og støydempende hodetelefoner. Det siste tilfellet er bemerkelsesverdig for å lytte til lyder utenfor og inne i øretelefonen, og deretter snu dem for å nøytralisere de ytre lydene. Ett teknisk nettsted sier at det er "litt som å ta +2 ute og legge til -2 inne for å lage null."
Hver av disse teknikkene krever framsyn og ingeniørpresisjon for å fungere. I tillegg krever metodene kontinuerlig sporing (aktiv sensing) for å holde instrumentene på linje riktig og lydhøre for skiftende forhold.

Bilde 2. Elefantfisk -eksempel på mormyrid

Støydempende fisk
For å finne at biologi bruker støydemping er både overraskende og logisk. En organismes sensorer må kunne skille mellom selv og ikke-selv. Muller et al. gjorde oppdagelsen om signal backpropagation ved å eksperimentere på mormyridfisk. Dette er svakt elektrisk fisk som kan generere strøm samt passivt motta dem. "Elefantfisk" er et eksempel på en mormyrid.
Nevrovitenskapsmenn har funnet mormyrider som er nyttige for å studere biologisk signalbehandling, fordi fisken sender ut elektriske pulser som må dempes av hjernen, og mottar signaler fra konspesifikasjoner og fra byttedyr. Maier forklarer hvorfor et støydempingssystem måtte eksistere. Dessverre gir han kreditt til evolusjonen for et system som virker med "kirurgisk presisjon" -
"Elektrosen består av passiv og aktiv elektromottak. Den passive elektrosenten (ampullære reseptorer) er svært følsom for de svake elektriske feltene generert av bevegelser av virvelløse byttedyr. Aktivelektro mottak krever generering av en kort (˜1 ms) elektrisk organutladning av et elektrisk organ, og tuberøse reseptorer innstilt til det elektriske feltet produsert av det elektriske organets utslipp. Mormyridfisk har beholdt den passive sansen og utviklet den aktive elektrosenten som er avgjørende for romlig læring og navigasjon som gjør lokalisering av byttedyr effektiv. Utviklingen av den aktive forstand kommer til en pris for mormyridfisk (spesielt Gnathoneumus petersii). Den korte Mormyrid -elektriske organutladningen fremkaller en stor utbredelses -respons i ampullære reseptorer som varer ˜200 ms. Den elektriske organutladningshastigheten varierer fra 5 Hz (hvile) til 60 Hz (fremdrift) og ringesponsen overlapper byttelaterte sensoriske innganger. Ampullære reseptorer bør bli oversvømmet av denne støyen og identifiseringen av byttedyr utslettet. Ampullære reseptorer projiserer for å sende celler i den medullære elektrossensoriske loben. Bemerkelsesverdig reagerer elektrosensoriske lobutgangsneuroner trofast på passiv elektrosensorisk inngang uten antydning til deres kakofoninngang. Det må være en mekanisme som eliminerer ringestøyen med kirurgisk presisjon."

Fiskens metode er akkurat som støydemping i de nevnte teknologiene: Subtraher den uønskede støyen for å få signalet.
Avbestilling av ringestøy er via å lære et 'negativt bilde' lik og motsatt av ringesponsen, etterfulgt av summering av ringestøyen og dets negative bilde. Nøkkelen til det negative bildet ligger i et prediktivt koremerkeutladningssignal som nettopp ganger forekommer for hvert elektrisk organutladning. Corollary -utslippet når cerebellare granulatceller som igjen projiserer til apikale dendritter av de middels ganglionceller. De middels ganglionceller lærer å følge ringestøyen nøyaktig, og deres hemmende inngang til utgangscellene oppsummerer med og avbryte deres ringestøyinngang.
Det er et smart triks, men enda mer bemerkelsesverdig i detaljene. Nevronene langs signalveien må justere seg for forplantningshastigheten og vite når du skal styrke (øke) pulsene eller trykke (redusere) dem for å skape det "negative bildet." Bredde, amplitude og tidspunkt for piggene er avgjørende for å lykkes. Dette bildet (faktisk et bakover-formerende pulstog) må trofast reproduseres på tvers av synapser, der elektriske signaler blir konvertert til kjemiske signaler og omvendt. I tillegg strekker presisjonen seg til typer ionekanaler (f.eks. Natrium eller kalsium) i aksonene og dendrittene. Det er tankene å lese detaljene i Maiers synopsis og Muller et al. Men det er mer: hormoner er også involvert.

Signalprioritering
En annen artikkel om støydemping i mormyridfisk dukket opp i nåværende biologi en måned etter Muller -artikkelen. Fukutoni og Carlson slo fast at systemet også er avhengig av hormoner - spesielt testosteron - for å koordinere motorutgangen og intern prediksjon av sensoriske konsekvenser. Hos avls hanner fant de, "hemning aktivert av en utskrivning av en følge av sensoriske responser på selvgenererte elektriske pulser, slik at nedstrømskretsen selektivt kan analysere kommunikasjonssignaler fra nærliggende fisk" for å avgjøre om de er yngel, kvinner eller ikke-reproduktive hanner. "I dette tilfellet påvirker testosteron direkte de biofysiske egenskapene til elektrocyttene i det elektriske organet som bestemmer EOD [elektrisk organutslipp] bølgeform." Hvis evolusjonen ikke hadde tenkt på det settet med tilfeldige mutasjoner som trenger seleksjon, ville den stakkars fisken blitt utryddet. (Forfatterne sa ikke det; prøvde bare å være logisk.)
Når det gjelder denne vrien på emnet, noterte Washington University i St. Louis at et "hormon endrer electrisk fisks signalforsikringstriks." Det koker ned til tidskontroll.
"Den elektriske fisken kjent som mormyrider sender ut elektriske pulser som signaler; De har også utviklet en måte å ignorere eller blokkere egne meldinger på. Et system som kalles 'corollary' hemmer fiskens sensoriske oppfatning i en kort, veldefinert periode etter at den har sendt ut en elektrisk puls-slik at den kan prioritere meldinger fra andre, for eksempel potensielle partnere."

Bilde 3. Hormoner -også involvert i signalprioritering

Andre tilfeller i biologi
Det som blir avslørt i disse papirene er en bemerkelsesverdig effektiv støydempingsteknologi i fisk. De kan føle svake elektriske signaler fra byttedyr og fra konspesifikasjoner til tross for at de satte i gang elektriske pulser i vannet 60 ganger i sekundet! Disse pulsen ville sumpe det svake signalet fra målet, hvis det ikke var for en kombinasjon av nevroner, ionekanaler, matematisk presise algoritmer og hormoner som arbeider sammen for å trekke egensignalet og finpusse målsignalet. Det resulterende signalet må dessuten aktivere instinktiv atferd, ellers ville det ikke tjene noen hensikt.
Prinsippet bak denne biologiske metodikken kan utvides til alle tilfeller i biologi der en organisme, enten en celle eller en fruktflue eller en grizzlybjørn, trenger å diskriminere signaler fra meg selv for å svare på miljøsignaler. Grizzly bjørner, har jeg hørt, gir fra seg en veldig sterk lukt. Likevel er luktesansen bemerkelsesverdig følsom. De må kunne utføre "lukt avbestilling" for å subtrahere sin egen lukt fra signalet de ønsker å fokusere på. Ekkolokalisernig ville ikke fungere hvis delfinen eller flaggermusen ikke var i stand til å skille mellom egne klikk og ekkoene fra målet. Du kan tenke på flere eksempler, og kanskje nysgjerrighet på hvordan de oppnås, vil generere noen fruktbare forskningsprosjekter for talsmenn for intelligent design.

Bilde 4. Egne elektriske signaler -må kunne skjelnes fra andres

David Coppedge
Om forfatteren: DAVID COPPEDGE -kredit til David Coppedge (Bilde 5)
David Coppedge er en frilans vitenskapsreporter i Sør-California. Han har vært styremedlem i Illustra Media siden grunnleggelsen og fungerer som deres vitenskapskonsulent. Han jobbet ved NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL) i 14 år, på Cassini-oppdraget til Saturn, til han ble kastet ut i 2011 for å dele materiale om intelligent design, en diskriminerende handling som førte til en nasjonalt publisert rettssak i 2012. Discovery Institute støttet saken hans, men en ensom dommer dømte ham mot ham, uten forklaring. En naturfotograf, friluftsmann og musiker, David har B.S. grader i realfagsutdanning og i fysikk og holder presentasjoner om ID og andre vitenskapelige emner.