Vorlesung 3
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Vorlesung 3 © 2015 Prof. Dr. Adrian Schwaninger 59 Überblick Einleitung Psychophysik Wahrnehmung: Sinnesorgane Prozesse und Grundprinzipien Sehen Hören Propriozeption Tastsinn Geschmackssinn Geruchssinn Wahrnehmungsorganisation Wahrnehmungsinterpretation Aufmerksamkeit Auditive Aufmerksamkeit Visuelle Aufmerksamkeit Zentrale Aufmerksamkeit Objekterkennung Anwendungsbeispiel Luftsicherheit © 2015 Prof. Dr. Adrian Schwaninger 60 Transduktion: Enkodierung physikalischer Energie als neuronale Signale © 2015 Prof. Dr. Adrian Schwaninger 61 Prozesse der Wahrnehmung Empfindung: Prozess, bei dem unsere Sinnesrezeptoren und unser Nervensystem Reizenergien aus unserer Umwelt empfangen und darstellen. Wahrnehmung: Prozess, bei dem die sensorischen Informationen organisiert und interpretiert werden; dies ermöglicht uns, die Bedeutung von Gegenständen und Ereignissen zu erkennen. Obwohl wir aus analytischen und deskriptiven Gründen Empfindung und Wahrnehmung getrennt definieren, sind beide in Wirklichkeit Bestandteile eines kontinuierlichen Prozesses. Transduktion: Umwandlung einer Energieform in eine andere; Im sensorischen Bereich die Umwandlung von Reizenergien (wie Sehreize, Töne und Gerüche) in Nervenimpulse, die unser Gehirn interpretieren kann Bottom-up-Verarbeitung (aufsteigende, datengesteuerte Informationsverarbeitung): Analyse, die mit den Sinnesrezeptoren beginnt und aufsteigend bis zur Integration der sensorischen Information durch das Gehirn erfolgt. Top-down-Verarbeitung (absteigende, konzeptgesteuerte Informationsverarbeitung): Informationsverarbeitung, gesteuert durch höhere mentale Prozesse, beispielsweise wenn wir Wahrnehmungen aufgrund unserer Erfahrungen und Erwartungen interpretieren. © 2015 Prof. Dr. Adrian Schwaninger 62 Beispiel für Bottom-Up und Top-Down Verarbeitung © 2015 Prof. Dr. Adrian Schwaninger 63 Beispiel für Bottom-Up und Top-Down Verarbeitung © 2015 Prof. Dr. Adrian Schwaninger 64 Grundprinzipien sensorischer Wahrnehmung Das Wahrnehmungssystem ist ausgerichtet auf das Überleben und Fortbestehen der jeweiligen Spezies in der natürlichen Umgebung in welcher die Evolution stattfand. Beispiele: Eine weibliche Seidenraupenmotte muss nur ein Milliardstel Gramm eines Botenstoffes pro Sekunde absondern, um jede männliche Seidenraupenmotte im Umkreis von 1 km anzulocken. Fledermäuse und Delphine orten ihre Beute mit Sonar (durch Entfernungsschätzung der vom Objekt zurückgeworfenen Schallwellen) Frösche reagieren auf kleine, dunkle Objekte in Bewegung. Ein Frosch könnte verhungern, wenn er in einem leeren Raum mit vielen toten unbeweglichen Fliegen steht. © 2015 Prof. Dr. Adrian Schwaninger 65 Überblick Einleitung Psychophysik Wahrnehmung: Sinnesorgane Prozesse und Grundprinzipien Sehen Hören Propriozeption Tastsinn Geschmackssinn Geruchssinn Wahrnehmungsorganisation Wahrnehmungsinterpretation Aufmerksamkeit Auditive Aufmerksamkeit Visuelle Aufmerksamkeit Zentrale Aufmerksamkeit Objekterkennung Anwendungsbeispiel Luftsicherheit © 2015 Prof. Dr. Adrian Schwaninger 66 Menschliche Wahrnehmung und elektromagnetisches Spektrum Wir Menschen nehmen nur den Teil des elektromagnetischen Spektrums wahr, welcher in der Evolution für unser Überleben und Forbestehen relevant war. Röntgenstrahlen, Radiowellen, UV- und Infrarotlicht sowie Schallwellen sehr hoher und niedriger Frequenz nehmen wir nicht wahr. Wellenlänge in Nanometer (ein Milliardstel Meter) © 2015 Prof. Dr. Adrian Schwaninger 67 Physiologie des Auges Ziliarmuskel Zonulafasern Lichtenergie © 2015 Prof. Dr. Adrian Schwaninger 68 Physiologie des Auges Das Licht tritt durch die Hornhaut des Auges (Cornea) ein. Durch die Iris, einen Muskelring, wird die Größe der Pupille eingestellt, durch die das Licht ins Auge eintritt. Dies ist abhängig von der Lichtmenge aber auch von Gefühlszuständen. Die Linse verändert ihre Form, um auch nahe und entfernte Gegenstände auf der Retina (Netzhaut) scharf abzubilden (Akkomodation). Die Fovea ist der Bereich des schärfsten Sehens auf der Retina, weil dort die Dichte von Rezeptoren am höchsten ist und vor allem Zapfen vorkommen (siehe unten). In der Retina wird Lichtenergie in Nervenimpulse umgewandelt (Transduktion). Nach der Kodierung in der Retina gelangen die Nervenimpulse über den Sehnerv ins Gehirn. Obwohl die Retina ein Bild empfängt, das auf dem Kopf steht, bearbeitet das Gehirn die eingehenden Impulse so, dass das Bild wieder richtig zu stehen scheint. © 2015 Prof. Dr. Adrian Schwaninger 69 Akkomodation Enfternte Objekte scharf, nahe Objekte unscharf Enfternte Objekte scharf, nahe Objekte unscharf Enfternte Objekte unscharf, nahe Objekte scharf Demonstration Bleistift mit der Spitze nach oben am ausgestreckten Arm halten und ein weit (mind. 6 Meter) entferntes Objekt fixieren. Der Bleistift erscheint unscharf. Dann den Bleistift fixieren. Das entfernte Objekt erscheint unscharf. (Aus Goldstein, 2008) © 2015 Prof. Dr. Adrian Schwaninger 70 Akkomodation (Aus Eysel, 2006) (Aus Goldstein, 2008) © 2015 Prof. Dr. Adrian Schwaninger 71 Sehschärfe Normalsichtigkeit: Lichtstrahlen laufen auf der Retina eines normalsichtigen Auges zu einem scharfen Bild zusammen. Dies gilt für Objekte der Nähe und nach entsprechender Anpassung der Linsenkrümmung (Akkomodation) auch für weit entfernte Objekte. Kurzsichtigkeit (Myopie): Gegenstände in der Nähe werden schärfer gesehen als entfernte Objekte, da sich die einfallenden Lichtstrahlen schon vor der Netzhaut überschneiden. Korrektur durch Brille, Kontaktlinsen oder in einigen Fällen durch laserchirurgischen Eingriff (z.B. LASIK Methode). Weitsichtigkeit (Hyperopie): Weit entfernte Gegenstände werden schärfer gesehen als nahe, da das Bild von nahen Objekten seinen Brennpunkt hinter der Retina hat. Kinder korrigieren dies in der Regel durch Akkomodation, so das nur selten eine Brille gebraucht wird. Allerdings können Ermüdung und Kopfschmerzen auftreten. Erwachsene bemerken Weitsichtigkeit, da die Flexibilität der Linse und damit die Akkomodation nachlässt und sie dann eine Brille oder Linsen zum Nahsehen benötigen. © 2015 Prof. Dr. Adrian Schwaninger 72 Wellenlänge und Amplitude Die Wellenlänge bestimmt den Farbton (z.B. blau, grün, etc.). Die Intensität des Lichts (Energiemenge von Lichtwellen, entspricht Amplitude) bestimmt die Leuchtkraft der Farben. Wellenlänge in Nanometer © 2015 Prof. Dr. Adrian Schwaninger 73 (ca. 6 mio) amakrine Zelle (ca. 120 mio) (ca. 1 mio), © 2015 Prof. Dr. Adrian Schwaninger 74 Zapfen und Stäbchen Die beiden Arten von Rezeptoren in der Netzhaut (Retina) sind die Stäbchen und die Zapfen. Sie unterscheiden sich in Bezug auf Gestalt, Anzahl, Verbindungen zum Gehirn, Funktion und Lage auf der Netzhaut. Zapfen Stäbchen 6 Mio 120 Mio Oft 1:1 Übertragung Viele Stäbchen auf eine Bipolarzelle Funktion Detailliertes Tagessehen und Farbensehen Sehen bei wenig Licht, kein Farbensehen Lage auf der Netzhaut Zentrum (Fovea) Peripherie Anzahl Stäbchen Verbindungen zum Gehirn Zapfen Zapfen und Stäbchen unter dem Elektronenmikroskop © 2015 Prof. Dr. Adrian Schwaninger Das Farbensehen ist bei wenig Licht beeinträchtigt, weil dann nur Stäbchen arbeiten, welche nicht farbempfindlich sind. 75 Dunkeladaptation Kommt man in einen dunklen Raum (z.B. Theater oder Kinobesuch) oder macht das Licht in einem Zimmer aus, dann weiten sich sofort die Pupillen, um mehr Licht in die Peripherie des Auges zu lassen (wo die Stäbchen sind). Nach ca. 5 min übernehmen die Stäbchen das Sehen und ihre maximale Lichtempfindlichkeit ist nach ca. 20 min erreicht (dies entspricht der durchschnittlichen Dauer der Dämmerung, d.h. dem Übergang zwischen Sonnenuntergang und Nacht). Demonstration zum ausprobieren: Rechtes Auge abdecken, 20 min warten. 2. Zimmerbeleuchtung so stark verdunkeln, dass man mit dem offenen Auge ein Buch noch knapp lesen kann. 3. Rechtes Auge öffnen -> mit diesem Auge kann man das Buch perfekt lesen. 1. © 2015 Prof. Dr. Adrian Schwaninger 76 Unterschiede zwischen den Spezies Weshalb sieht eine Katze nachts viel besser als ein Mensch? Mindestens aus 2 Gründen: Sie kann die Pupillen weiter öffnen und mehr Licht hereinlassen. Sie hat einen höheren Anteil an lichtempfindlichen Stäbchen. Nachteil: Da die Katze nur wenig Zapfen hat, kann sie weder Einzelheiten noch Farben so gut sehen wie wir. Manche Nachttiere wie Kröten, Mäuse, Ratten und Fledermäuse besitzen eine Retina, die fast völlig aus Stäbchen besteht. Deshalb sehen sie auch bei schwachem Licht noch sehr gut. Allerdings sehen diese Tiere wahrscheinlich nur sehr wenig Farben, da ihnen die Zapfen in der Retina fehlen. © 2015 Prof. Dr. Adrian Schwaninger 77 Blinder Fleck An der Stelle, wo Sehnerv das Auge verlässt sind keine Rezeptorzellen vorhanden. Dadurch entsteht der blinde Fleck. Demonstration: Schliessen Sie das linke Auge und fokussieren Sie den schwarzen Punkt. Variieren Sie den Abstand zur unten stehenden Abbildung bis sie das Auto nicht mehr sehen. Im Alltag bemerken wir den blinden Fleck nicht, weil die Augen sich ständig bewegen und das eine Auge das aufnimmt, was dem anderen entgeht. © 2015 Prof. Dr. Adrian Schwaninger 78 Vom Auge zum Kortex Sehnerv (Axone der Ganglienzellen) Retina Colliculus superior Sehzentrum des Thalamus (Corpus geniculatum laterale, CGL) (Nach Frisby, 1979) © 2015 Prof. Dr. Adrian Schwaninger Sehnervenkreuzung (Chiasma opticum) Tractus opticus Radiatio optica Sehrinde (= striärer Cortex oder primärer visueller Cortex, V1) 79 Rezeptive Felder (RF) Durch die Verschaltung der retinalen Zellen entstehen rezeptive Felder. Als rezeptives Feld wird derjenige Bereich der Netzhaut bezeichnet, von dem aus die Aktivität einer Zelle beeinflusst werden kann. Auf der Netzhaut entspricht das der Photorezeptorenfläche, die mit der Zelle verbunden ist. Die rezeptiven Felder der Ganglienzellen bestehen aus einem Zentrum und einem Umfeld. Im primären visuellen Cortex (V1) findet man Neurone (Nervenzellen) mit Orientierungsspezifität (Antwort der Zellen auf Lichtbalken einer bestimmten Orientierung). Simple Cell in V1 Zellen in Retina CGL und V1 - + - - Nach Hubel & Wiesel, 1962 © 2015 Prof. Dr. Adrian Schwaninger 80 Zellen mit Orientierungsspezifität Zellantwort Reiz © 2015 Prof. Dr. Adrian Schwaninger 81 Primärer visueller Kortex (V1) Farbverarbeitung (Blobs) Simple Cells: Zellen, die auf hell-dunkel Unterschiede einer bestimmten Orientierung reagieren (Nach Gazzaniga et al., 1998) © 2015 Prof. Dr. Adrian Schwaninger 82 Spezifität von Nervenzellen © 2015 Prof. Dr. Adrian Schwaninger 83 Kortikale Areale Aus http://thebrain.mcgill.ca © 2015 Prof. Dr. Adrian Schwaninger 84 Parallelverarbeitung von Farbe, Bewegung, Form und Tiefe Colliculus Superior (CS) © 2015 Prof. Dr. Adrian Schwaninger (Aus Eysel, 2006) ITC 85 Parallelverarbeitung von Bewegung, Farbe, Form, Position und Tiefe Parallelverarbeitung ist die natürliche Methode der Informationsverarbeitung im Gehirn; mit ihrer Hilfe kann man viele Aspekte eines Problems gleichzeitig angehen. Die Fähigkeit des Gehirns, mehrere Aufgaben gleichzeitig auszuführen, ermöglicht es ihm, Unterdimensionen des Sehens (Bewegung, Farbe, Form, Position und Tiefe) auf unterschiedliche neuronale Teams zu verteilen, die getrennt voneinander und gleichzeitig arbeiten. Andere neuronale Teams arbeiten dabei zusammen, um die Ergebnisse zusammenzuführen, sie mit gespeicherten Informationen zu vergleichen und Wahrnehmungen zu ermöglichen. © 2015 Prof. Dr. Adrian Schwaninger 86
