MMG23 1.04 Die Sinne Hardware Transduktion Popcoding [p]

### Sinne und Wahrnehmung *** #### Hard- und Software-Layer des Gehirns  --- ### Themen heute: *** 1. Wdh. Neuronen 2. Transduktion 3. Gesetz der spezifischen Sinnesenergien 4. Population Coding *Dramaturgie Bottom-Up*  --- ### 1. Neuronen *** #### als **einheitliche** Grundbausteine  --- ### 1. Neuronen - Grundbausteine von allem was mental im weitesten Sinne ist: - Empfinden, Wahrnehmen, Denken, Erinnern, Lernen, Entscheiden, Handeln.... - spezialisierter Zelltyp, kann Aktivitätszustand ändern - und weitermelden! - ansonsten wie jede andere Zelle des Körpers ausgestattet - Axon - Dendriten - Aktionspotential - Synapse = Lücke zwischen Axon/Dendrit - Exzitatorisch: AP erhöht die AP-Rate im nächsten (postsynapt.) Neuron - Inhibitorisch: AP senkt die AP-Rate im nächsten (postsynapt.) Neuron  --- - Typische AP-Raten bis 100/s, runter bis nur 1 AP alle paar Minuten - auch Spontanaktivität - 100 Milliarden Neuronen - Mehrere 100 Billionen Synapsen - Verschiedene Neuronentypen in verschiedenen Hirnstrukturen - manche mit meterlangen einzelnen Axonen - manche nur ganz kurze, dafür aber hunderte davon - Beste und schnellste Informationsverarbeitungsmaschine im bekannten Universum - Mysterium: wie kommt man von einer gewaltigen Fülle einzelner Zellen zu einer "Person"  --- ### 2. Transduktion *** #### Reizenergie → Nervenenergie  --- #### TRANSDUKTION = Übersetzen von Energie aus der Umgebung in die elektrische Signal"währung" des Gehirns ↓ Bsp. ↓  ---- - Bsp. Vibrationssinneszelle in der Haut - hat Axon, kann APs machen - Input aber nicht Dendriten (hat keine), sondern Umweltenergie - Solange nichts passiert: keine APs - also auch die nachgeschalteten Neuronen keine APs - auch bei Drücken nicht - nur geeignete Sorte Vibration → chemische Änderung in der Zelle → APs  --- #### Transduktion: alle Sinne - **Beginn** der Transduktionskette von Sinnesorgan zu Sinnesorgan verschieden, spezifisch... - **Ende** im Gehirn ist für alle Sinne identisch: elektrische AP-Muster  --- #### Sinne - **Haut**: Info von Spezialzellen für die unterschiedlichsten Features werden zu einem Sinneserlebnis - **Riechen**: Noch viel mehr Sinneszelltypen (pro Duft); werden im Gehirn zu *einem* Perzept (im Sinne einer Modalität) - **Schmecken**: Zellen für die 5-6 Grundgeschmäcker (Zonen nach D.H. Hanig sind Humbug!) - **Hören**: Sinneszellen für genau die richtige, spezifische Frequenz - **Sehen**: Spezifische Zellen für jeden Ort, verschiedene Farben, Hell/Dunkel > Schlüssel-Schloss-Mechanismen für spezifische Moleküle, spezifische physikalische Reizsorten in der Haut, etc.  --- *** ### ↓ Exkurse: Adaptation; Qualia ↓ ***  ---- #### Exkurs: Adaptation Retina - Rhodopsin wird verbraucht - muss ständig nachproduziert werden - Intensive Helligkeitsempfindung nach einer Weile im Dunkeln - Rhodopsin auf Halde  ---- ### Adaptation - für praktisch alle Sinneszellsorten - besonders empfindlich dafür, wenn ein Reiz/Änderung startet - nach und nach unempfindlicher, je länger etwas unverändert anhält - Bsp. Kleidung, Bsp. Hausdüfte  ---- #### Exkurs: Qualia Bsp. Geschmack - Grundgeschmäcker inkl. Umami und Fett - Interessant: Für Umami kein Wort - kann man es beschreiben? - "Schmeckt wie..." eigentlich unmöglich - Kommunikationsgrundlage für z.B. "salzig" oder "blau" > Wahrnehmung hat etwas inhärent privates - wir alle tun es allein Parallele zu Emotionen in der Musikforschung  --- ### 3. Müller-Doktrin der spezifischen Nervenenergien *** #### Organisation der transduzierten Muster im Gehirn  --- #### Alles Aktionspotentiale *** - Alles, was wir wahrnehmen, ist im Gehirn durch APs repräsentiert - Blau ist ein bestimmtes Muster von APs - Ebenso der Duft von Schokoladenkuchen. Alles APs.  --- *** #### ↓ Beispiele ↓ ***  ---- #### Beispiel Auge *** Retina → Sehnerv → LGN → V1 - Ortsbeziehungen erhalten ↔ Retinotopische Karten  ---- #### Beispiel Auge *** Adäquater und inadäquater Reiz: - ein tatsächlicher Lichtblitz in der realen Aussenwelt - Schlag aufs Auge ↔ Schlag auf den Hinterkopf - Invasive elektrische Stimulation von V1, von LGN, oder vom Sehnerv, All das würde von uns als **Seh**eindruck **wahr**genommen. > Für unser Bewusstsein nicht zu unterscheiden (Wirklichkeit/Halluzination)  ---- #### Beispiel Körperfühlsphäre *** - direkte elektrische Stimulation des Kortex oder - Berührung der korrespondierenden Stelle z.B. am Arm wäre für uns als **Wahr**nehmung nicht unterscheidbar  ---- #### Beispiel Hören *** Klangkarte auf der Cochlea keine Ortskarte, sondern Frequenzkarte usw. > Dieses Phänomen gilt für **alle Sinne**! &Rarr;  --- *** ### Gesetz der spezifischen Sinnesenergien *** oder: Müller-Doktrin der spezifischen Nervenenergien *** - Physiologe Johannes Müller, 1826  ---- ![Johannes_Peter_Mueller.jpg](https://hackmd.io/_uploads/SJh0eHqQ6.jpg) *Der Herr Müller.*  --- ### Gesetz der spezifischen Sinnesenergien besagt, > dass nicht der **äußere Reiz** die *Qualität* der Wahrnehmung bestimmt, sondern nur die Eigenart des gereizten **Sinnesorgans**. Diese ist die qualitativ spezifische Sinnesmodalität der gereizten Sensoren.  --- → Heute verallgemeinert: > WO im Gehirn die elektrische Aktivität landet ("projiziert"), bestimmt, als welche Modalität (und welches Feature) wir sie wahrnehmen. Würden wir den Sehnerv in den Hörkortex umleiten, würden wir Licht hören. Leiten wir Körpernerven in die Sehrinde um, würden wir Berührungen als Seheindrücke empfinden...  --- *** ### 4. Population Coding ***  --- > Wie kann eine infinite Anzahl möglicher Reizmuster in der Aussenwelt in einem finiten Gehirn von einer finiten Neuronenzahl repräsentiert werden? ↓ Bsp.: eine einzelne geneigte Linie ↓  ---- ##### Bsp.: eine einzelne geneigte Linie - kann in unendlich vielen Winkeln geneigt sein (88°, 88,00012653° usw.) - die wir größtenteils auch fein unterscheiden können. - Brauchen wir für jeden Winkel (jede Frequenz, jede Farbabstufung etc) ein eigenes Neuron? - Selbst die 100 Milliarden verfügbaren Neuronen, die zur Verfügung sind, würden nicht für eine eindeutige Kodierung von *allem* ausreichen - Informationstheoretisches Dilemma: Summe aller 1-bit Neuronen kann nicht alles kodieren, was wir wahrnehmend unterscheiden können - dazu kommt dann noch alles was wir wissen und woran wir uns erinnern etc. - Idee von nachgeschalteten Neuronen für Feature-Kombinationen → "Großmutter-Neuron"  --- ### Lösung: POPULATION CODING > Kodiert wird nicht durch einzelne Neuronen, sondern Aktivierungsmuster mehrerer Neuronen, die *im Verbund* eindeutig sind ↓ Bsp. Linienneigung ↓  ---- #### Bsp. Linienneigung - In V1 Kolumnen von Zellen, die für bestimmte Winkel sensitiv sind - Jedes hat aber eine Sensitivitäts*verteilung*, reagiert also auch (schwächer) ausserhalb des *Best*-Winkels - Diagramm: Konzept der relativen Koeffizienten - Bsp. Farbkombinationen aus nur 3 Rezeptor-Bestwellenlängen RGB  --- > Neuronen sind diskret und finit, aber die Bandbreite der Antwortraten und Verteilungen ist kontinuierlich und beliebig kombinierbar und damit prinzipiell unendlich → d.h. die Informationskapazität liegt *nicht* in der **Zahl** der neuronalen Elemente, sondern in den elektrischen **Mustern**. > MB: Damit ist das eigentliche Gehirn in einem Softwarelayer abgebildet und nicht im Hardware-Layer  --- *** # Population Coding *** Summenvektoren und Einblicke ins handelnde und planende Denken  --- ![](https://hackmd.io/_uploads/HyU-N3dGj.jpg =x800)  --- ![](https://hackmd.io/_uploads/r1UZ4hOzi.jpg =x900)  --- ![](https://hackmd.io/_uploads/HJrZEhdMs.jpg =x900)  --- ![](https://hackmd.io/_uploads/rkS-VnOzs.png =x900)  --- ![](https://hackmd.io/_uploads/r1xHbNnOMo.jpg =x800)  --- ![](https://hackmd.io/_uploads/SySb43uzs.jpg =x900)  --- ![](https://hackmd.io/_uploads/BkvbEh_Ms.png)  --- Mental max. 360° - 720° / Sekunde *Man muss es drehen, um es zu drehen.*  --- Damit ist auch das *Binding-Problem* indirekt gelöst oder umgangen - es braucht kein Tomatensuppen-Neuron, nur ein relationales Aktivierungsmuster aus Umami-Warm-Flüssig-etc > MB: Bildgebung macht oft irreführend vergessen, dass wir Software-Layer untersuchen, indem sie sehr auf Aktivität im Hardware-Layer und Lokalisation (zT Einzelzellen) schaut [EoT]  ---