Kurzzeitgedächtnis (rms,shg)

1 Inhaltsverzeichnis
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Inhaltsverzeichnis ............................................................................................................... 1
Einleitung ........................................................................................................................... 1
Grundlagen ......................................................................................................................... 1
3.1
Biologische Grundlagen ............................................................................................. 1
3.1.1
Zentrales Nervensystem ..................................................................................... 1
3.1.2
Neuron ................................................................................................................ 1
3.1.3
Elektrischer Impuls ............................................................................................ 1
3.1.4
Synapsen ............................................................................................................. 2
3.2
Psychologische Grundlagen ....................................................................................... 2
3.2.1
Gedächtnis .......................................................................................................... 2
Kurzzeitgedächtnis (rms,shg) ......................................................................................... 2
Langzeitgedächtnis ......................................................................................................... 2
3.2.2
Theorie von Hepp ............................................................................................... 3
3.3
Mathematische Grundlagen........................................................................................ 3
3.3.1
Formale Beschreibung neuronaler Netze ........................................................... 3
Aktivierungsfunktion ..................................................................................................... 3
Eingabe./Ausgabemenge ................................................................................................ 3
Lernregel ........................................................................................................................ 3
3.3.2
Vektoren ............................................................................................................. 3
3.4
Physikalische Grundlagen .......................................................................................... 3
3.4.1
Spinnglasmodell ................................................................................................. 3
3.4.2
Kristallzüchtung ................................................................................................. 3
2 Einleitung
3 Grundlagen
3.1 Biologische Grundlagen
3.1.1 Zentrales Nervensystem
3.1.2 Neuron
Neuronen, die Bausteine des biologischen neuronalen Netzes, setzten sich aus drei
wesentlichen Teilen zusammen: Dem Zellkörper, dem Axon und den Dendriten.
Der Zellkörper, auch Soma genannt, ist des Herzstück des Neurons, bestehend aus einem
Zellkern und einer Zellmembran. Er ist, so zu sagen, die Verarbeitungsschicht des Neurons.
In ihm wird entschieden, ob es zu einem elektrischen Impuls kommt, oder ob die Zelle inaktiv
bleibt und somit eine Kettenreaktion gestoppt wird.
Das Axon, auch Nervenfaser oder Neurit, ist die so genannte Ausgabeschicht des Neurons.
Jeder Zellkern besitzt genau eines dieser röhrenartigen Kanäle, durch die ein Impuls an
vernetzte Neuronen weitergegeben wird. Das, bis zu einem Meter lange Axon verzweigt sich
und endet, verbunden durch die Synapsen, an den Dendriten vieler anderer Neuronen, oder
direkt an deren Zellkörper.
Die Dendriten sind die Eingabeschicht der Neuronen über die ein elektrischer Impuls zu dem
Zellkern geleitet und dort, bei ausreichender Stärke, zu einer Reaktion und somit zu einem
weiteren Impuls führt. Es sind bis zu 200 000 Fasern pro Neuron, die direkt an der
Zellmembran aufsetzen.
3.1.3 Elektrischer Impuls
Es gibt zwei Zustände in denen sich ein Neuron befinden kann. Zum einen der Ruhezustand
und zum Anderen der kurzzeitige Umschwung, der Ausschüttung eines elektrischen Signals.
Kommen nun eingehende Signale durch die Dendriten in dem Zellkörper an und sind sie
gemeinsam, oder sogar alleine so stark, dass sie einen, in der Zelle verankerten Schwellwert
überschreiten, wechselt die Ladung der Zelle kurzzeitig von etwa –75 mV zu einem Wert um
+30 mV. Sie besitzt damit ein Aktionspotential und „feuert“ einen elektrischen Impuls ab. Er
besitzt bei jeder Zelle die selbe Intensität. Anschließend wechselt die Zelle sofort wieder in
der Ruhezustand.
3.1.4 Synapsen
Die Synapsen besteht aus dem präsynaptischen Endkolben, der des Ende des Axons bildet,
welcher durch den synaptischen Spalt von der postsynaptischen Membran des
angrenzenden Dendriten getrennt wird. Bei der Aktivierung eines Neurons wird die
elektrische Ladung durch das Axon geleitet. Beim präsynaptischen Endkolben angekommen,
aktiviert der Impuls die Ausschüttung einer chemischen Substanz, der Neurotransmitter,
welche nun in der Lage sind den synaptischen Spalt zu überbrücken und den Impuls an das
nächste Neuron weiterzuleiten.
Neuronen können im Laufe der Zeit, in Abhängigkeit ihrer regelmäßigen Beanspruchung,
wachsen oder verkümmern. Die Synapsen erlangen so verschiedene Größen.
Eine große Synapse schüttet bei einer Aktivierung auch entsprechend größere Mengen an
Neurotransmittern aus, was den Impuls verstärkt und beispielsweise erwirkt, dass der
elektrische Impuls des verbundenen Neurons über den Schwellwert hinweg steigt und einen
neuen Impuls des Neurons an alle vernetzten Neuronen auslöst. Die Synapse hat also eine
erregende Funktion.
Werden mit einem Impuls kleine Synapsen erreicht, kann die entsprechend kleine Menge an
Neurotransmittern den Stop der Kettenreaktion erwirken, wenn der ankommende Impuls
unter dem Schwellwert des Neurons liegt. Die Synapse wirkt somit hemmend.
Deshalb ist man sich einig, dass es die Synapsen sind, die das lernen des neuronalen
Netzes ermöglichen.
3.2 Psychologische Grundlagen
3.2.1 Gedächtnis
Kurzzeitgedächtnis (rms,shg)
Das Kurzzeitgedächtnis ist in der Lage Informationen in einem kurzen Zeitrahmen, von
einigen Sekunden, zu speichern. Die Kapazität an Daten, die das Kurzzeitgedächtnis
aufnehmen kann, ist von dem Zusammenhang der Informationen abhängig. So ist es uns
zum Beispiel möglich Zahlenreihen mit einigen aufeinanderfolgenden Ziffern längere Zeit im
Gedächtnis zu behalten als eine kleinere Anzahl völlig unterschiedlicher
zusammenhangsloser Zahlen.
Das Kurzzeitgedächtnis ist innerhalb kürzester Zeit veränderbar. Erhält das Gehirn neue
Informationen, so bleiben zwar die alten im Kurzzeitgedächtnis gespeicherten Daten noch
einige Zeit erhalten, doch können diese schon bald nicht mehr abgerufen werden. Der Bezug
zu ihnen verliert sich nach und nach.
Langzeitgedächtnis
Durch mehrfache Wiederholung der Informationen in regelmäßigen Abständen können diese
Daten langsam ins Langzeitgedächtnis überwechseln. Langsam deshalb, da es eine
Aktivierung der Rezeptoren über einen längeren Zeitraum benötigt, bis das
Langzeitgedächtnis verändert wird. Viele der im Langzeitgedächtnis gespeicherten Daten
bleiben ein Leben lang erhalten. Für diese Speicherung sind vermutlich die Synapsen
verantwortlich, die durch ihr Wachsen dauerhafte Verbindungen immer schnelleres Abrufen
ermöglichen. Ein weiterer Faktor zum schnellen Aktivieren der gespeicherten Informationen
sind die zu dieser Zeit im Kurzzeitgedächtnis enthaltenen Daten. Stehen diese in
Zusammenhang, kommt es zu einer assoziativen Bahnung, die das Langzeitgedächtnis
stimuliert.
3.2.2 Theorie von Hepp
3.3 Mathematische Grundlagen
3.3.1 Formale Beschreibung neuronaler Netze
Aktivierungsfunktion
Eingabe./Ausgabemenge
Lernregel
3.3.2 Vektoren
3.4 Physikalische Grundlagen
3.4.1 Spinnglasmodell
3.4.2 Kristallzüchtung