Anwendung neuronaler Netzwerke und

Matrixspeicher

zur Erklärung von Umlernvorgängen

während des Tragens einer Umkehrbrille

D I P L O M A R B E I T

eingereicht von

Hartmut Häfele

an der Naturwissenschaftlichen Fakultät

der LEOPOLD FRANZENS UNIVERSITÄT INNSBRUCK

Institut für Psychologie

1993

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INHALTSVERZEICHNIS

Einleitung 1

1. Die Kohler´schen Versuche mit Umkehrbrillen

3

1.1. Einführung

3

1.2. Zusammenfassung der Untersuchungsergebnisse

4

1.3. Bedeutung der Kohler´schen Brillenversuche für die moderne

Wahrnehmungsforschung 7

2. Aufbau und Funktionsweise des visuellen Systems

8

2.1. Die Stationen der visuellen Verarbeitung

8

2.1.1. Die funktionelle Organisation retinaler Ganglienzellen

8

2.1.2. Die Sehbahn und ihre Projektionen 10

2.1.3. Die Signalverarbeitung im Corpus Geniculatum Laterale 10

2.1.4. Die Signalverarbeitung im visuellen Kortex 11

2.1.5. Die Verarbeitung in den höheren visuellen Arealen 13

2.2. Ontogenetische Entwicklung und Plastizität im visuellen System 14

2.3. Objektrepräsentationen und Objekterkennung im visuellen System 16

2.3.1. Moderne Theorien des Sehens 19

2.3.1.1. Eine Arbeitshypothese: »Sehen als Zuordnen von internen

Repräsentationen zu Objekten der Außenwelt« 21

3. Computersimulierte neuronale Netzwerke 22

3.1. Einleitung 22

3.2. Vergleich zwischen natürlichen und künstlichen neuronalen

Netzwerken 24

3.3. Geschichtlicher Überblick der Entwicklung neuronaler Netzwerke 28

3.4. Struktur und Funktionsweise mehrschichtiger neuronaler Netze 32

3.4.1. Allgemeiner Aufbau 32

3.4.2. Der Lernvorgang in einem neuronalen Netzwerk 33

3.4.3. Der Informationsverarbeitungsvorgang in einem Prozessorelement 34

I

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3.5. Das Backpropagation-Netzwerk 40

3.5.1. Aufbau eines Backpropagation-Netzwerks 40

3.5.2. Die generalisierte Delta - Lernregel 41

3.5.3. Backpropagation-Netzwerke als vereinfachte Modelle für

menschliche Wahrnehmungssysteme 44

3.6. Interne Repräsentationen in neuronalen Netzwerken und

Matrixspeichern 45

3.6.1. Interne Repräsentationen in neuronalen Netzwerken 45

3.6.2. Interne Repräsentationen in Matrixspeichern 47

3.6.2.1. Mathematischer Formalismus und Funktionsweise von

Matrixspeichern 49

3.6.2.2. Entwicklung eines musterassoziierenden Matrixspeichers 52

3.6.2.3. Matrixspeicher als Modelle für die Großhirnrinde 65

3.6.2.3.1. Das Assoziativ-Speichermodell der Hirnrinde von Günther Palm 65

3.6.2.3.2. Anwendung des Palm´schen Assoziativspeichermodells 67

3.6.3. Zusammenfassung 69

4. Die Computer-Simulation des neuronalen Umlernvorgangs

während des Tragens einer Umkehrbrille 70

4.1. Einleitung 70

4.2. Beschreibung des Seh- und Umlernvorgangs durch einen

musterassoziierenden Matrixspeicher 72

4.2.1. Der musterassoziierende Matrixspeicher M.A.M. 72

4.2.2. Durchführung der Simulation 74

4.2.2.1. Zuordnung interner Repräsentationen zu aufrechten Objekten 74

4.2.2.2. Zuordnung interner Repräsentationen zu verkehrten Objekten 78

4.3. Zusammenfassung und Diskussion der Assoziativspeicher-

Simulationsergebnisse 79

4.4. Simulation des neuronalen Umlernvorgangs durch ein

Backpropagation-Netzwerk 80

4.4.1. Erzeugung des Backpropagation-Netzwerks 80

II

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4.4.2. Training des Netzwerks durch die Lernmusterdateien für aufrechte

und verkehrte Muster 85

4.4.3. Analyse der synaptischen Gewichtungen 86

4.4.3.1. Untersuchungsfrage 86

4.4.3.2. Erhebung der Gewichte 86

4.4.3.3. Statistische Auswertung 87

4.4.3.3.1. Testauswahl 87

4.4.3.3.2. Durchführung des T-Tests für unabhängige Stichproben 90

4.4.4. Simulation des Überlernens von Assoziationen 93

4.5. Zusammenfassung und Diskussion der Netzwerk-

Simulationsergebnisse 94

4.6. Annahme eines »Neuronalen Erklärungsmodells« zum

Umlernvorgang während des Tragens einer Umkehrbrille 95

Literaturliste 96

Bildnachweise 101

Anhang 104

Quellcode des Programms M.A.M. 104

Lernmusterdateien der Muster: »Buchstaben, Symbole, Ziffern« 142

Gewichtungen der synaptischen Verbindungen nach erfolgreichem

Training 147

III

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EINLEITUNG

Die Brillenversuche haben eine lange Tradition und demzufolge gibt es ei-

ne Fülle von Abhandlungen zu diesem Thema. Diese Arbeiten befassen

sich jedoch hauptsächlich mit der Beschreibung der kontinuierlichen Ad-

aption des Menschen an den - durch Prismen- und Spiegelbrillen - verän-

derten Input an das visuelle System auf rein verhaltensbeobachtender E-

bene (siehe das Kapitel 1.2).

Der Frage, wie sich diese Adaption auf

neuronaler Ebene

vollzieht, wurde

bisher noch nicht nachgegangen.

Zu diesem Zweck müßten visuelle Systeme von Individuen, die sich erfolg-

reich an die veränderten Umweltbedingungen angepaßt haben, mit sol-

chen verglichen werden, bei denen ein Umlernen nicht stattgefunden hat.

Nun sind solche Untersuchungen aber mit erheblichem methodischen

Aufwand verbunden, da man ja die Veränderungen in der zellulären Struk-

tur des visuellen Systems in erster Linie mit Hilfe 1histologischer Methoden

beschreiben müßte.

Als Alternative bietet sich nun eine Technologie an, die in den letzten Jah-

ren stark an Bedeutung gewonnen hat und sich in ihrer vergleichsweise

einfachen Handhabung möglicherweise für diese Art von Untersuchungen

eignet:

Die Nachbildung menschlicher Wahrnehmungssysteme mit Hilfe
computersimulierter neuronaler Netzwerke

(Hinton, 1992; Kohonen, 1984).

Obwohl die simulierten Netzwerke im Vergleich zu ihren natürlichen Vorbil-

dern meist

drastisch vereinfacht

sind (Schweizer, 1986), so lassen sich in be-

zug auf Aufbau, Funktionsweise und Verhalten gewisse Parallelen nicht

leugnen (siehe das Kapitel 3.2). Diese Ähnlichkeiten gehen so weit, daß

einige der führenden Netzwerk-Forscher der Meinung sind, daß solche Si-

mulationen durchaus eine hohe explikative Potenz aufweisen (Hinton,

1992).

Zumindest stellen die Erkenntnisse aus Netzwerk-Simulationen eine sinnvolle

Ergänzung zu den traditionellen Untersuchungsmethoden dar.

1Sämtliche

nichtinvasive

Methoden, wie beispielsweise EEG-Ableitungen (evozierte Potentiale,

Brainmapping, usw.) oder moderne bildgebende Verfahren (CT, NMR, PET, usw.), verfügen (noch)

nicht über das nötige Auflösungsvermögen, um neuronale Veränderungen auf zel ulärer oder sogar

synaptischer Ebene sichtbar zu machen.

1

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In diesem Sinne wurde Im Rahmen dieser Diplomarbeit ansatzweise ver-

sucht, bestimmte Teilaspekte des

neuronalen Umlernvorgangs

während

des Tragens einer

Umkehrbrille

, mit einem computersimulierten neuronalen

Netzwerk nachzubilden und die entstandenen neuronalen Strukturen auf

Unterschiede zu untersuchen (Kap.4.4).

2

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1. DIE KOHLER´SCHEN VERSUCHE MIT UMKEHRBRILLEN

1.1. EINFÜHRUNG

Die Versuche mit Umkehrbrillen haben eine fast hundertjährige Tradition.

Schon

1896

experimentierte GEORGE STRATTON mit einem Linsensystem, das

ein seitenverkehrtes und auf dem Kopf stehendes Bild erzeugte (Rock,

1985). Obwohl STRATTON seine mehrtägigen Selbstversuche nur einäugig

durchführte, und obwohl ein Linsensystem neben der Bildumkehr noch an-

dere, unkontrollierbare Effekte erzeugt (chromatische Aberration, Verzer-

rungen, usw.), konnte er trotzdem eine

allmähliche Anpassung

an diese

veränderten Umweltbedingungen beobachten. Er kam zu dem Schluß,

daß im Laufe der Zeit ein vollständiges Aufrechtsehen wieder gelernt wer-

den kann, wenn man das Linsensystem nur lange genug trägt. Stratton

wies außerdem auf die Wichtigkeit des

Tastsinnes

für das Wiedererlernen

des Aufrechtsehens hin.

EWERT experimentierte schon mit beidäugigen Linsensystemen und konnte

ebenfalls den Nachweis erbringen, daß durch eine Anpassung des äuße-

ren Verhaltens ein Zurechtfinden in der durch das Linsensystem veränder-

ten Umwelt möglich ist. Die Frage des Erlernens des aufrechten Sehens

wurde von EWERT aber vernachlässigt (Kohler, 1951).

WILLIAM STERN benutzte

1927

Prismenbrillen zur Bildumkehr. Da aber Prismen

in noch viel stärkerem Maße als die beschriebenen Linsensysteme Bildver-

fälschungen erzeugen, wurde deutlich, daß für weiterführende Untersu-

chungen bessere Techniken der Bildumkehr entwickelt werden müssen.

THEODOR ERISMANN benutzte erstmalig im Jahre

1928

eine Spiegelbrille für die Bildumkehr, die den

Vorteil hatte, das auf dem Kopf stehende Bild un-

verfälscht und seitengetreu darzustellen. Da die-

se Umkehrbrille aber die Sicht auf den Boden und

die Füße der Probanden verdeckte, wurden

noch keine mehrtägigen Dauerversuche durch-

geführt.

Am INSTITUT FÜR PSYCHOLOGIE DER UNIVERSITÄT INNSBRUCK

Abb.1.1

wurde im Jahre

1947

diese sogenannte ERIS-

3

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MANN´SCHE UMKEHRBRILLE dahingehend verbessert, daß nun der Blick des Bril-

lenträgers auf die eigenen Füße und auf körpernahe Objekte frei war

(Abb.1.1).

Die Umkehrbrille war nun »

straßenfähig

« (Kohler, 1951), und somit in idealer

Weise für mehrtägige Dauerversuche geeignet.

KOHLER unterzog sich und andere Versuchspersonen in weiterer Folge im-

mer wieder mehrtägigen Dauerbrillenversuchen mit dieser Umkehrbrille

und konnte dadurch den Nachweis erbringen, daß das menschliche vi-

suelle System - trotz der durch die Umkehrbrille veränderten Umweltbedin-

gungen - in der Lage ist, das Aufrechtsehen wieder zu erlernen.

Es bleibt noch zu erwähnen, daß die Versuche mit Umkehrbrillen nur einen

kleinen Teil der umfangreichen und originellen Forschungsarbeit KOHLER´S

und ERISMANN´S auf dem Gebiet der visuellen Wahrnehmungsmodifikation

durch optische Vorsatzgeräte ausmachten. Neben diesen Umkehrbrillen-

versuchen wurden weit aufwendigere Versuche mit Farbhalbbrillen, Pris-

men- und Halbprismenbrillen durchgeführt, wobei Kohler selbst einmal eine

Prismenbrille

124 Tage

ununterbrochen trug.

1.2. ZUSAMMENFASSUNG DER UNTERSUCHUNGSERGEBNISSE

Während des Tragens der Umkehrbrille führten die Versuchspersonen Tage-

buch über ihre Erlebnisse und Veränderungen der visuellen Wahrnehmun-

g; parallel dazu wurde ihr äußeres Verhalten aufgezeichnet. Die Ergeb-

nisse dieser Untersuchungen sind in der folgenden Gliederung zusammen-

gefaßt:

Während der

ersten Tage

des Tragens der Umkehrbrille sahen die Vpn.

die Umwelt auf dem Kopf stehend. Die Vpn. waren in dieser Phase

noch höchst unsicher und mußten begleitet werden, um Unfälle zu ver-

meiden.

Nach ca.

drei Tagen

waren die Vpn. in der Lage, sich in ihrer noch ver-

kehrt gesehenen Umwelt zurechtzufinden. Die Vpn. hatten gelernt, ihr

»äußeres Verhalten« (Kohler, 1951) den verändert wahrgenommenen

Umweltbedingungen anzupassen. Die Gesichtseindrücke erschienen

aber nur dann aufrecht, wenn die gesehenen Gegenstände gleichzei-

4

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tig

abgetastet

werden konnten, oder wenn diese sich in nächster Nähe

des eigenen Körpers der Brillenträger befanden.

Nach ungefähr

neun Tagen

sahen die Vpn. wieder eindeutig aufrecht.

Nach dem Abnehmen der Umkehrbrille wurde der vorher beschriebene

Umlernprozeß quasi im »Zeitraffertempo« durchlaufen:

In den ersten Minuten sahen viele Vpn. die nun richtig orientierte Um-

welt noch minutenlang eindeutig verkehrt.

Das äußere Verhalten konnte sehr schnell den veränderten Umweltbe-

dingungen angepaßt werden.

Noch einige Tage nach der Abnahme der Umkehrbrille konnten Augen-

blicke des Verkehrtsehens oder der Desorientierung beobachtet wer-

den.

Es wurde bereits erwähnt, daß unter bestimmten Bedingungen schon nach

dreitägigem

Tragen einer Umkehrbrille ein zeitweiliges Aufrechtsehen

möglich ist; diese Bedingungen sind in der folgenden Gliederung zusam-

mengefaßt:

ABTASTEN DES GESEHENEN GEGENSTANDES: Wenn die Vpn. verkehrt gesehene

Gegenstände abtasten konnten, dann wurden diese Gegenstände

plötzlich als aufrecht wahrgenommen. Auch das indirekte Abtasten

über einen verlängerten Taststock hatte diesen Effekt. Wichtig ist hier zu

erwähnen, daß die eigenen Hände immer zuallererst als aufrecht wahr-

genommen wurden.

Diese Beobachtungen KOHLER´S decken sich mit den Ergebnissen aus

den späteren Untersuchungen von HELD, der nachweisen konnte, daß

eine Anpassung an durch eine Prismenbrille veränderte Umwelt nur

dann möglich ist, wenn sich die Vpn.

aktiv motorisch

mit dieser ausein-

andersetzen können (Held, 1986).

SCHWEREEMPFINDUNGEN: Die Vpn. sahen immer dann aufrecht, wenn vi-

suelle Eindrücke mit Schwereempfindungen einzelner Körperteile oder

des gesamten Körpers einhergingen. Dazu schreibt KOHLER:

5

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Ein weiterer Faktor waren Schwereempfindungen, welche

das verkehrte Bild aufzurichten vermochten; ein Gewicht an

einer Schnur wurde ´unten´ gesehen, sobald die Vp. das En-

de selbst in die Hand nahm; auch Gegenstände, die dahin-

ter lagen, erschienen sofort aufrecht, wenn das Pendel ´in

Ordnung´ war. Betonte Schwereempfindungen des ganzen

Körpers, wie z.B. beim Aufwärtsfahren im Auto, ´kehrten die

Landschaft um´ und stellten das Bild richtig.

(Kohler,1951)

AKTIVIERUNG VON INTERNEN WISSENSREPRÄSENTATIONEN: Für KOHLER ist die Aktivie-

rung von Wissensrepräsentationen, die er unter dem Begriff der »ge-

wohnt aufrechten Bilder« subsumiert, eine weitere Ursache für das zeit-

weilige Aufrechtsehen; er schreibt dazu:

Als sehr wirksamer Anlaß für das aufrechte Sehen erwies sich

weiters das ´gewohnt-aufrechte´ Bild: eine Kerze, die zu-

nächst verkehrt gesehen wurde, mit dem Docht nach unten,

war plötzlich aufrecht, wenn man sie anzündete. Auch der

Rauch einer brennenden Zigarette vermochte die Situation

auf der Stelle umzukehren; plötzlich war für die Vp. dort

´oben´, wo der Rauch hinging u. dgl. m.

(Kohler, 1951)

Verallgemeinernd kann man zusammenfassen, daß immer dann aufrecht

gesehen wurde, wenn neben dem visuellen Input

zusätzliche Informatio-
nen

über das Gesehene in die Wahrnehmung miteinbezogen werden

konnten.

6

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