Anwendung neuronaler Netzwerke und Matrixspeicher zur Erklärung von Umlernvorgängen während des Tragens einer Umkehrbrille

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

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.