Die Brillenversuche haben eine lange Tradition und demzufolge gibt es eine Fülle von Abhandlungen zu diesem Thema. Diese Arbeiten befassen sich jedoch hauptsächlich mit der Beschreibung der kontinuierlichen Adaption des Menschen an den - durch Prismen- und Spiegelbrillen - veränderten Input an das visuelle System auf rein verhaltensbeobachtender Ebene.
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 erfolgreich an die veränderten Umweltbedingungen angepasst haben, mit solchen 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 Struktur des visuellen Systems in erster Linie mit Hilfe histologischer Methoden beschreiben müsste.
Als Alternative bietet sich nun eine Technologie an, die in den letzten Jahren 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.
Obwohl die simulierten Netzwerke im Vergleich zu ihren natürlichen Vorbildern meist drastisch vereinfacht sind, so lassen sich in Bezug auf Aufbau, Funktionsweise und Verhalten gewisse Parallelen nicht leugnen. Diese Ähnlichkeiten gehen so weit, dass einige der führenden Netzwerk-Forscher der Meinung sind, dass solche Simulationen durchaus eine hohe explikative Potenz aufweisen.
Zumindest stellen die Erkenntnisse aus Netzwerk-Simulationen eine sinnvolle Ergänzung zu den traditionellen Untersuchungsmethoden dar.
In diesem Sinne wurde Im Rahmen dieser Diplomarbeit ansatzweise versucht, 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.
Inhaltsverzeichnis
Einleitung
1. Die Kohler´schen Versuche mit Umkehrbrillen
1.1. Einführung
1.2. Zusammenfassung der Untersuchungsergebnisse
1.3. Bedeutung der Kohler´schen Brillenversuche für die moderne Wahrnehmungsforschung
2. Aufbau und Funktionsweise des visuellen Systems
2.1. Die Stationen der visuellen Verarbeitung
2.1.1. Die funktionelle Organisation retinaler Ganglienzellen
2.1.2. Die Sehbahn und ihre Projektionen
2.1.3. Die Signalverarbeitung im Corpus Geniculatum Laterale
2.1.4. Die Signalverarbeitung im visuellen Kortex
2.1.5. Die Verarbeitung in den höheren visuellen Arealen
2.2. Ontogenetische Entwicklung und Plastizität im visuellen System
2.3. Objektrepräsentationen und Objekterkennung im visuellen System
2.3.1. Moderne Theorien des Sehens
2.3.1.1. Eine Arbeitshypothese: »Sehen als Zuordnen von internen Repräsentationen zu Objekten der Außenwelt«
3. Computersimulierte neuronale Netzwerke
3.1. Einleitung
3.2. Vergleich zwischen natürlichen und künstlichen neuronalen Netzwerken
3.3. Geschichtlicher Überblick der Entwicklung neuronaler Netzwerke
3.4. Struktur und Funktionsweise mehrschichtiger neuronaler Netze
3.4.1. Allgemeiner Aufbau
3.4.2. Der Lernvorgang in einem neuronalen Netzwerk
3.4.3. Der Informationsverarbeitungsvorgang in einem Prozessorelement
3.5. Das Backpropagation-Netzwerk
3.5.1. Aufbau eines Backpropagation-Netzwerks
3.5.2. Die generalisierte Delta - Lernregel
3.5.3. Backpropagation-Netzwerke als vereinfachte Modelle für menschliche Wahrnehmungssysteme
3.6. Interne Repräsentationen in neuronalen Netzwerken und Matrixspeichern
3.6.1. Interne Repräsentationen in neuronalen Netzwerken
3.6.2. Interne Repräsentationen in Matrixspeichern
3.6.2.1. Mathematischer Formalismus und Funktionsweise von Matrixspeichern
3.6.2.2. Entwicklung eines musterassoziierenden Matrixspeichers
3.6.2.3. Matrixspeicher als Modelle für die Großhirnrinde
3.6.2.3.1. Das Assoziativ-Speichermodell der Hirnrinde von Günther Palm
3.6.2.3.2. Anwendung des Palm´schen Assoziativspeichermodells
3.6.3. Zusammenfassung
4. Die Computer-Simulation des neuronalen Umlernvorgangs während des Tragens einer Umkehrbrille
4.1. Einleitung
4.2. Beschreibung des Seh- und Umlernvorgangs durch einen musterassoziierenden Matrixspeicher
4.2.1. Der musterassoziierende Matrixspeicher M.A.M.
4.2.2. Durchführung der Simulation
4.2.2.1. Zuordnung interner Repräsentationen zu aufrechten Objekten
4.2.2.2. Zuordnung interner Repräsentationen zu verkehrten Objekten
4.3. Zusammenfassung und Diskussion der Assoziativspeicher Simulationsergebnisse
4.4. Simulation des neuronalen Umlernvorgangs durch ein Backpropagation-Netzwerk
4.4.1. Erzeugung des Backpropagation-Netzwerks
4.4.2. Training des Netzwerks durch die Lernmusterdateien für aufrechte und verkehrte Muster
4.4.3. Analyse der synaptischen Gewichtungen
4.4.3.1. Untersuchungsfrage
4.4.3.2. Erhebung der Gewichte
4.4.3.3. Statistische Auswertung
4.4.3.3.1. Testauswahl
4.4.3.3.2. Durchführung des T-Tests für unabhängige Stichproben
4.4.4. Simulation des Überlernens von Assoziationen
4.5. Zusammenfassung und Diskussion der Netzwerk Simulationsergebnisse
4.6. Annahme eines »Neuronalen Erklärungsmodells« zum Umlernvorgang während des Tragens einer Umkehrbrille
Zielsetzung & Themen
Die Diplomarbeit untersucht auf neuronaler Ebene die Anpassungsvorgänge des visuellen Systems, wenn die Wahrnehmung durch optische Hilfsmittel wie Umkehrbrillen verändert wird. Ziel ist es, durch computersimulierte neuronale Netzwerke und Matrixspeichermodelle zu klären, wie Lernprozesse und strukturelle Veränderungen im Kortex ablaufen, die für das Wiedererlernen des Aufrechtsehens verantwortlich sind.
- Analyse historischer Umkehrbrillenversuche (u.a. nach Kohler)
- Aufbau und Funktionsweise des biologischen visuellen Systems
- Modellierung neuronaler Prozesse durch künstliche neuronale Netzwerke
- Simulation des Umlernprozesses mit Backpropagation-Netzwerken
- Untersuchung synaptischer Gewichtungen bei Umkehrbrillen-Adaption
Auszug aus dem Buch
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 andere, unkontrollierbare Effekte erzeugt (chromatische Aberration, Verzerrungen, 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 werden 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 äußeren Verhaltens ein Zurechtfinden in der durch das Linsensystem veränderten 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 Bildverfälschungen erzeugen, wurde deutlich, daß für weiterführende Untersuchungen 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 unverfälscht und seitengetreu darzustellen. Da diese Umkehrbrille aber die Sicht auf den Boden und die Füße der Probanden verdeckte, wurden noch keine mehrtägigen Dauerversuche durchgeführt.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Die Kohler´schen Versuche mit Umkehrbrillen: Dieses Kapitel gibt einen Überblick über die historische Forschung zu Umkehrbrillen und fasst die Erkenntnisse über die menschliche Anpassungsfähigkeit an veränderte visuelle Inputs zusammen.
2. Aufbau und Funktionsweise des visuellen Systems: Hier werden die biologischen Grundlagen der visuellen Informationsverarbeitung, von den Ganglienzellen der Netzhaut bis hin zu höheren kortikalen Arealen, detailliert erläutert.
3. Computersimulierte neuronale Netzwerke: Das Kapitel führt in die Theorie künstlicher neuronaler Netzwerke ein, vergleicht diese mit biologischen Systemen und erläutert Lernalgorithmen wie Backpropagation sowie Matrixspeicher.
4. Die Computer-Simulation des neuronalen Umlernvorgangs während des Tragens einer Umkehrbrille: Dies ist der empirische Hauptteil, in dem die Simulationen mittels Matrixspeichern und Backpropagation-Netzwerken durchgeführt und die Veränderungen der synaptischen Gewichte statistisch ausgewertet werden.
Schlüsselwörter
Umkehrbrille, neuronale Netzwerke, Backpropagation, Matrixspeicher, visuelles System, Plastizität, Umlernvorgang, Synaptische Gewichte, Musterassoziation, Kognitive Modellierung, Assoziativspeicher, Objektrepräsentation, Wahrnehmungsforschung, Simulation, Lernregel.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit?
Die Diplomarbeit untersucht die neuronalen Anpassungsprozesse, die bei der Wahrnehmung unter dem Einfluss von Umkehrbrillen stattfinden, indem sie diese Prozesse mittels computersimulierter Netzwerke nachbildet.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Arbeit verknüpft psychologische Wahrnehmungsforschung mit neurobiologischen Grundlagen des Sehens und der Informatik, spezifisch dem Bereich der neuronalen Netzwerke und assoziativen Speichermodelle.
Was ist das primäre Ziel der Forschung?
Das Ziel ist es, ein besseres Verständnis dafür zu entwickeln, wie neuronale Systeme durch motorische Interaktion und Feedback-Schleifen eine plastische Adaption an eine auf dem Kopf stehende Welt ermöglichen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Der Autor nutzt die Methode der Computersimulation. Dabei werden neuronale Umlernvorgänge durch verschiedene Modelltypen, wie musterassoziierende Matrixspeicher und mehrschichtige Backpropagation-Netzwerke, abstrakt nachgebildet.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil werden reale Simulationsversuche dokumentiert, bei denen Netzwerke mit aufrechten und verkehrten Mustern trainiert wurden. Es folgt eine statistische Analyse der synaptischen Gewichtungen, um Unterschiede in der internen Schaltung bei der Adaption zu identifizieren.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Kernbegriffe sind Umkehrbrillen-Adaption, neuronale Plastizität, Backpropagation-Netzwerke, assoziative Speicherung und interne Objektrepräsentationen.
Wie unterscheidet sich der Ansatz der Simulation von biologischen Systemen?
Der Autor weist explizit darauf hin, dass die verwendeten Netzwerkmodelle im Vergleich zur Komplexität eines menschlichen Gehirns drastisch vereinfacht sind, aber dennoch eine hohe explikative Potenz zur Untersuchung grundlegender neuronaler Lernmechanismen besitzen.
Welche Rolle spielt das motorische System bei der Adaption?
Das motorische System ist laut der Arbeit essentiell. Es dient als „Lehrer“, der dem visuellen System Rückmeldungen über die Richtigkeit von Assoziationen gibt, wodurch eine aktive motorische Auseinandersetzung mit der Umwelt zur Voraussetzung für erfolgreiches Umlernen wird.
- Arbeit zitieren
- Mag. rer. nat. Hartmut Häfele (Autor:in), 1993, Anwendung neuronaler Netzwerke und Matrixspeicher zur Erklärung von Umlernvorgängen während des Tragens einer Umkehrbrille, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/91956
