Anwendung neuronaler Netzwerke und Matrixspeicher zur Erklärung von Umlernvorgängen während des Tragens einer Umkehrbrille E-Book
Hartmut Häfele
39,99 €
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- Herausgeber: GRIN Verlag
- Kategorie: Geisteswissenschaft
- Sprache: Deutsch
- Veröffentlichungsjahr: 2008
Diplomarbeit aus dem Jahr 1993 im Fachbereich Psychologie - Biologische Psychologie, Note: 1,2, Leopold-Franzens-Universität Innsbruck (Institut für Psychologie), Sprache: Deutsch, Abstract: 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.
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Ähnliche
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403.5. Das Backpropagation-Netzwerk403.5.1. Aufbau eines Backpropagation-Netzwerks413.5.2. Die generalisierte Delta - Lernregel
3.5.3. Backpropagation-Netzwerke als vereinfachte Modelle für44menschliche Wahrnehmungssysteme
3.6. Interne Repräsentationen in neuronalen Netzwerken und45Matrixspeichern453.6.1. Interne Repräsentationen in neuronalen Netzwerken473.6.2. Interne Repräsentationen in Matrixspeichern
3.6.2.1. Mathematischer Formalismus und Funktionsweise von49Matrixspeichern523.6.2.2. Entwicklung eines musterassoziierenden Matrixspeichers653.6.2.3. Matrixspeicher als Modelle für die Großhirnrinde653.6.2.3.1. Das Assoziativ-Speichermodell der Hirnrinde von Günther Palm673.6.2.3.2. Anwendung des Palm´schen Assoziativspeichermodells693.6.3. Zusammenfassung
4. Die Computer-Simulation des neuronalen Umlernvorgangs70während des Tragens einer Umkehrbrille704.1. Einleitung
4.2. Beschreibung des Seh- und Umlernvorgangs durch einen72musterassoziierenden Matrixspeicher724.2.1. Der musterassoziierende Matrixspeicher M.A.M.744.2.2. Durchführung der Simulation744.2.2.1. Zuordnung interner Repräsentationen zu aufrechten Objekten784.2.2.2. Zuordnung interner Repräsentationen zu verkehrten Objekten
4.3. Zusammenfassung und Diskussion der Assoziativspeicher-79Simulationsergebnisse
4.4. Simulation des neuronalen Umlernvorgangs durch ein80Backpropagation-Netzwerk804.4.1. Erzeugung des Backpropagation-Netzwerks
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4.4.2. Training des Netzwerks durch die Lernmusterdateien für aufrechte85und verkehrte Muster864.4.3. Analyse der synaptischen Gewichtungen864.4.3.1. Untersuchungsfrage864.4.3.2. Erhebung der Gewichte874.4.3.3. Statistische Auswertung874.4.3.3.1. Testauswahl904.4.3.3.2. Durchführung des T-Tests für unabhängige Stichproben934.4.4. Simulation des Überlernens von Assoziationen
4.5. Zusammenfassung und Diskussion der Netzwerk-94Simulationsergebnisse
4.6. Annahme eines »Neuronalen Erklärungsmodells« zum95Umlernvorgang während des Tragens einer Umkehrbrille96Literaturliste101Bildnachweise104Anhang104Quellcode des Programms M.A.M.142Lernmusterdateien der Muster: »Buchstaben, Symbole, Ziffern«
Gewichtungen der synaptischen Verbindungen nach erfolgreichem147Training
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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 (siehe das Kapitel 1.2).
Der Frage, wie sich diese Adaption aufneuronaler Ebenevollzieht, 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 Hilfe1histologischer 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(Hinton, 1992; Kohonen, 1984). Obwohl die simulierten Netzwerke im Vergleich zu ihren natürlichen Vorbildern meistdrastisch vereinfachtsind (Schweizer, 1986), so lassen sich in bezug 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 Simulationen durchaus eine hohe explikative Potenz aufweisen (Hinton, 1992).
Zumindest stellen die Erkenntnisse aus Netzwerk-Simulationen eine sinnvolle Ergänzung zu den traditionellen Untersuchungsmethoden dar.
1 SämtlichenichtinvasiveMethoden, 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 zellulärer oder sogar
synaptischer Ebene sichtbar zu machen.
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In diesem Sinne wurde Im Rahmen dieser Diplomarbeit ansatzweise versucht, bestimmte Teilaspekte desneuronalen Umlernvorgangswährend des Tragens einerUmkehrbrille,mit einem computersimulierten neuronalen Netzwerk nachzubilden und die entstandenen neuronalen Strukturen auf Unterschiede zu untersuchen (Kap.4.4).
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1.1. EINFÜHRUNG
Die Versuche mit Umkehrbrillen haben eine fast hundertjährige Tradition. Schon1896experimentierte 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 eineallmähliche Anpassungan 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 desTastsinnesfür 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 benutzte1927Prismenbrillen 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.
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MANN´SCHEUMKEHRBRILLE dahingehend verbessert, daß nun der Blick des Brillenträgers 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 immer wieder mehrtägigen Dauerbrillenversuchen mit dieser Umkehrbrille und konnte dadurch den Nachweis erbringen, daß das menschliche visuelle System - trotz der durch die Umkehrbrille veränderten Umweltbedingungen - 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 Umkehrbrillenversuchen wurden weit aufwendigere Versuche mit Farbhalbbrillen, Prismen- und Halbprismenbrillen durchgeführt, wobei Kohler selbst einmal eine Prismenbrille124 Tageununterbrochen trug.
1.2. ZUSAMMENFASSUNGDERUNTERSUCHUNGSERGEBNISSE
Während des Tragens der Umkehrbrille führten die Versuchspersonen Tagebuch über ihre Erlebnisse und Veränderungen der visuellen Wahrnehmung; parallel dazu wurde ihr äußeres Verhalten aufgezeichnet. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in der folgenden Gliederung zusammengefaßt:
Währendderersten Tagedes 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 vermeiden.
Nach ca.drei Tagenwaren die Vpn. in der Lage, sich in ihrer noch verkehrt 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-
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tigabgetastetwerden konnten, oder wenn diese sich in nächster Nähe des eigenen Körpers der Brillenträger befanden. Nachungefährneun Tagensahen die Vpn. wieder eindeutig aufrecht. Nach dem Abnehmen der Umkehrbrille wurde der vorher beschriebene Umlernprozeß quasi im »Zeitraffertempo« durchlaufen: Inden ersten Minuten sahen viele Vpn. die nun richtig orientierte Umwelt noch minutenlang eindeutig verkehrt.Das äußere Verhalten konnte sehr schnell den veränderten Umweltbedingungen angepaßt werden.
Nocheinige Tage nach der Abnahme der Umkehrbrille konnten Augenblicke des Verkehrtsehens oder der Desorientierung beobachtet werden.
Es wurde bereits erwähnt, daß unter bestimmten Bedingungen schon nachdreitägigemTragen einer Umkehrbrille ein zeitweiliges Aufrechtsehen möglich ist; diese Bedingungen sind in der folgenden Gliederung zusammengefaßt:
ABTASTENDES GESEHENENGEGENSTANDES: 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 wahrgenommen 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 motorischmit dieser ausein-andersetzen können (Held, 1986).
SCHWEREEMPFINDUNGEN:Die Vpn. sahen immer dann aufrecht, wenn visuelle Eindrücke mit Schwereempfindungen einzelner Körperteile oder des gesamten Körpers einhergingen. Dazu schreibt KOHLER:
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AKTIVIERUNGVON INTERNENWISSENSREPRÄSENTATIONEN: Für KOHLER ist die Aktivierung von Wissensrepräsentationen, die er unter dem Begriff der »gewohnt aufrechten Bilder« subsumiert, eine weitere Ursache für das zeitweilige Aufrechtsehen; er schreibt dazu:
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1.3. BEDEUTUNGDERKOHLER´SCHEN BRILLENVERSUCHEFÜR DIE MODERNEWAHRNEHMUNGSFORSCHUNG
Nach RITTER konnten aus den Kohler´schen Brillenversuchen hauptsächlich drei Erkenntnisse gewonnen werden, die von entscheidender Bedeutung für die moderne Wahrnehmungsforschung waren:
Dasvisuelle Wahrnehmungssystem besitzt entgegen aller bis dahin gültigen Lehrmeinungen eine großePlastizität und Lernfähigkeit.Imvisuellen Wahrnehmungssystem existieren offenbar»intelligente« Verarbeitungsmechanismen,die selbst bei Störungen der Informationsaufnahme in der Lage sind, Eigenschaften und Merkmale der Umwelt richtig zu entschlüsseln.
Dasmotorische Systemist für eine erfolgreiche Adaption an veränderte Umweltbedingungen von entscheidender Bedeutung:
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2.1. DIE STATIONENDER VISUELLENVERARBEITUNG
2.1.1. DIEFUNKTIONELLEORGANISATIONRETINALERGANGLIENZELLEN
ZENTRUM und aus einer RF-PERIPHERIE (Abb.2.2).
Nachdem immer jeweils eine Ganglienzelle für ein RF zuständig ist, spricht man vomRezeptiven Feld einer Ganglienzelle.Da in der Netzhaut 10 6 Ganglienzellen existieren, kann man annehmen, daß ebensoviele RF vor-
Die Aktivität einer Ganglienzelle ist abhängig vomOrt der Reizungihres rezeptiven Feldes; man unterscheidet hierbei:
2 KONVERGENZ bedeutet »Zusammenfließen« bzw. Sammeln von Information; dies wird durch die Pro-
jektionvielerNeurone auf einegeringere AnzahlNeurone realisiert. Analog dazu bedeutet DIVERGENZ
»Auseinanderfließen« bzw. Verteilen von Information. Das konvergente und das divergente Ver-
schaltungsprinzip läßt sich im gesamten Nervensystem aller Arten beobachten und stellt ein Grund-
prinzip der neuronalen Informationsverarbeitung dar (nach Bliem et al., 1981).
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ON-ZENTRUM-NEURONE(On-Zentrum-Ganglienzellen), die miterhöhterAktivität auf die Reizung ihresRF-Zentrums,und miterniedrigterAktivität auf die Reizung ihrerRF-Peripheriereagieren, und
3OFF-ZENTRUM-NEURONE, die miterniedrigterAktivität auf die Reizung ihresRF-Zentrums,und miterhöhterAktivität auf die Reizung ihrerRF-Peripheriereagieren.
3 Diese Beschreibung bezieht sich auf die RF der Neurone für das SCHWARZ-WEIß-SEHEN. Die RF der
Neurone für das FARBENSEHEN sind sehr ähnlich aufgebaut. Man unterscheidet Neurone desRot-Grün-Systemsvon Neuronen desGelb-Blau-Systems(Hubel, 1989). Zentrum und Peripherie der RF
dieser Neurone sind dabei Farb-antagonistisch organisiert: so reagiert z.B. ein Neuron des Rot-Grün-
Systems nur dann maximal, wenn ein roter Lichtreiz in sein RF-Zentrum, bzw. wenn ein grüner Lichtreiz
in seine RF-Peripherie trifft. Neurone des Gelb-Blau-Systems haben analog dazu ein »gelbes RF-Zen-trum« und eine »blaue RF-Peripherie« (Birbaumer, 1989).
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2.1.2. DIE SEHBAHNUND IHREPROJEKTIONEN
Die Axone der retinalen Ganglienzellen treten gebündelt aus den Augen aus und bilden die beiden Sehnerven. Diese laufen an der Schädelbasis aufeinander zu und tauschen in der Sehkreuzung etwa die Hälfte ihrer Ner-
2.1.3.DIE SIGNALVERARBEITUNGIMCORPUS GENICULATUM LATERALE
Das CGL ist aussechsNeuronenschichten aufgebaut, wobei die Schichten 1, 4 und 6 demrechten,und 2, 3 und 5 demlinkenAuge zugeordnet sind. Dies bedeutet, daß die Signalverarbeitung jeweils dreier Schichten im wesentlichen von einem Auge bestimmt wird. Daraus kann man schließen, daß auf dieser Ebene noch keine binokulare Verarbeitung der visuellen Signale zum Zwecke des stereoskopischen Sehens erfolgt; dies geschieht erst im visuellen Kortex.
Die Rezeptiven Felder der Ganglienzellen des CGL sind jenen der retinalen Ganglienzellen sehr ähnlich. Man unterscheidet hier ebenfalls zwischen On- und Off-Zentrum-Neuronen.
4 Der Thalamus ist die größte graue Kernsubstanz des Zwischenhirns. Er ist die übergeordnete Schalt-
station für die folgenden zur Großhirnrinde ziehenden sensorischen Systeme: Seh-, Hör- und somato-
sensorisches System. Überdies steht der Thalamus durch entsprechende Fasersysteme mit dem
Kleinhirn, dem extrapyramidalen System und dem Rückenmark in Verbindung (nach Thompson,
1990).
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2.1.4. DIE SIGNALVERARBEITUNGIM VISUELLENKORTEX
Die Sehrinde ist - wie der übrige Kortex - aus sechs Zellschichten (I...VI) aufgebaut. Die Nervenfasern der Sehstrahlung enden vor allem in den Seharealen der Zellschicht IVc, von wo aus die Informationsverarbeitung im Kortex ihren Ausgang nimmt.
Die Neurone des visuellen Kortex sind funktionell in sogenannte5ZELLSÄULEN oder -PLATTEN unterteilt.
(z.B. auf einen um 10 Grad geneigten Lichtbalken). Man nennt deshalb
