Prof. Dr. Björn Rasch, Cognitive Biopsychology and Methods University of Fribourg. Björn Rasch Vorlesung Allg. Psychologie Uni FR. Woche Datum Thema 1

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1 Allgemeine Psychologie I Vorlesung 3 Prof. Dr. Björn Rasch, Cognitive Biopsychology and Methods University of Fribourg 1 Allgemeine Psychologie I Woche Datum Thema 1 FQ Einführung, Verteilung der Termine Einführung und Grundlagen Psychophysik 3 Visuelle Wahrnehmung Auditive Wahrnehmung Schmerz, Geruch, Geschmack Fällt aus - - (Allerheiligen) Aufmerksamkeit Aufmerksamkeit und exekutive Kontrolle Lernen Kurzzeitgedächtnis Langzeitgedächtnis Gedächtnis und Schlaf Wiederholung und Fragen 2 1

2 Psychophysik Definition Psychophysik: Erfassung des Zusammenhangs zwischen Eigenschaften eines physikalischen Reizes und der subjektiven Wahrnehmung Auch in Verbindung mit neurowissenschaftlichen Methoden Klassische Psychophysik Methodeninventar zur Erfassung von Wahrnehmungsschwellen Schwellenbestimmung Wahrnehmungsschwellen vs. Unterschiedschwellen 3 Psychophysik Schwellen sind nicht in jeder Situation gleich Hörschwellen: Unterschiede zwischen Individuen / mit dem Alter Abhängig von situativen Variablen Müdigkeit, Motivation, Ablenkung, Drogen etc. Lage der Schwelle schwankt Psychometrische Funktion Schwelle: 50% der Reize wahrgenommen, 4 2

3 Psychophysik Signaldetektionstheorie Annahme: zweistufiger Urteilsprozess Sensorischer Prozess erstellt interne Repräsentation Entscheidungsprozess wahrgenommen ja oder nein Berechnung von zwei Parametern d (d-prime): Sensitivität der Wahrnehmung c: Antwortkriterium 5 Psychophysik Ernst Heinrich Weber Bestimmung von Unterschiedsschwellen Wie stark müssen sich zwei Reize unterscheiden um wahrgenommen zu werden? Das Weber sche Gesetz Unterschiedsschwellen stehen in einem konstanten Zusammenhang mit der Reizintensität Je grösser die Reizintensität, desto grösser die Unterschiedsschwelle Je kleiner die Reizintensität, desto kleiner die Unterschiedschwelle Beispiel: Ist ein Ton leise, so wird bereits eine kleine Veränderung der Lautstärke wahrgenommen Ist ein Ton laut, wird erst eine starke Veränderung der Lautstärke wahrgenommen 6 3

4 Psychophysik Das Weber sche Gesetz Beispiel Gewichte Weber sche Gesetz: ΔR = k R mit k: Weber Konstante 7 Psychophysik Gustav Theodor Fechner Zusammenhang zwischen Empfindungsstärke und physikalischer Reizintensität Wie laut empfindet ein Mensch einen Ton mit einer bestimmten Intensität? 8 4

5 Psychophysik Lärmwahrnehmung 9 Psychophysik Fechner sche Gesetz Trifft nicht immer zu Bsp: elektrische Schocks Potenzgesetz nach Stevens Die Empfindungsstärke E ist eine Potenzfunktion der Reizintensität Exponent n variiert nach Reizdimension n < 1 Empfindungsstärke ändert sich schwächer bei wachsender Reizintensität n > 1 Empfingungsstärke ändert sich stärker bei wachsender Reizintensität 10 5

6 Psychophysik Exponenten des Potenzgesetzes nach Stevens (1962) 11 Visuelle Wahrnehmung 12 6

7 Physiologie des Auges 13 Akkomodation (Aus Eysel, 2006) (Aus Goldstein, 2008) 14 7

8 Physiologie des Auges Das Licht tritt durch die Hornhaut des Auges (Cornea) ein. Die Größe der Pupille wird durch die Iris (Muskelring) eingestellt, Abhängig von Lichtmenge und Emotionalem Zustand Die Linse verändert ihre Form, um auch nahe und entfernte Gegenstände auf der Retina (Netzhaut) scharf abzubilden (Akkomodation). Anspannung der Ziliarmuskeln führt zur Erschlaffung der Zonulafasern, Linse nimmt auf Grund von Eigenelastizität runde Form an (Nahsehen) Elastizität der Linse nimmt mit zunehmendem Alter ab Die Fovea ist der Bereich des schärfsten Sehens auf der Retina. Dichte von Rezeptoren am höchsten (vor allem Zapfen). In Retina wird Lichtenergie in Nervenimpulse umgewandelt (Transduktion). Bild auf der Retina steht auf dem Kopf Nach der Kodierung in der Retina gelangen die Nervenimpulse über den Sehnerv ins Gehirn 15 Sehschärfe Normalsichtigkeit: Kurzsichtigkeit (Myopie) Nahe Gegenstände schärfer als entfernte Objekte Lichtstrahlen überschneiden sich vor der Netzhaut Brille, Kontaktlinsen oder laserchirurgischen Eingriff Weitsichtigkeit (Hyperopie) Entfernte Objekte schärfer als nahe Objekte Brennpunkt hinter der Retina Bei Kindern: Korrektur durch Akkomodation Erwachsene: Flexibilität der Linse / Akkomodation lässt nach Lesebrille 16 8

9 Wellenlänge und Amplitude Die Wellenlänge bestimmt den Farbton (z.b. blau, grün, etc.). Die Intensität des Lichts (Energiemenge / Amplitude von Lichtwellen) bestimmt die Leuchtkraft der Farben. 17 Wellenlänge in Nanometer Retina (ca. 6 mio) amakrine Zelle (ca. 120 mio) 18 9

10 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 Stäbchen Anzahl 6 Mio 120 Mio Verbindungen zum Gehirn Oft 1:1 Übertragung Viele Stäbchen auf eine Bipolarzelle Zapfen Funktion Lage auf der Netzhaut Detailliertes Tagessehen und Farbensehen Zentrum (Fovea) Sehen bei wenig Licht, kein Farbensehen Peripherie Zapfen und Stäbchen unter dem Elektronenmikroskop 19 Dunkeladaptation Im Dunklen weiten sich sofort die Pupillen mehr Licht in Peripherie des Auges (Stäbchen). Nach ca. 5 min übernehmen die Stäbchen das Sehen maximale Lichtempfindlichkeit nach ca. 20 min Demonstration zum ausprobieren: 1. 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

11 Dunkeladaptation 21 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 Augenwegungen / Sakkaden, binokulares Sehen 22 11

12 Vom Auge zum Kortex Sehnerv (Axone der Ganglienzellen) Retina Sehnerven-kreuzung (Chiasma opticum) Colliculus superior (optische Reflexe, Sakkaden) Sehzentrum des Thalamus (Corpus geniculatum laterale, CGL) Tractus opticus Radiatio optica (Nach Frisby, 1979) Sehrinde (= striärer Cortex oder primärer visueller Cortex, V1) 23 Rezeptive Felder (RF) Rezeptives Feld Bereich der Netzhaut (Photorezeptorfläche), von dem aus die Aktivität einer Zelle beeinflusst wird Abhängig von der Verschaltung der retinalen Zellen 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 Zellen in Retina CGL und V Simple Cell in V Nach Hubel & Wiesel,

13 Zellen mit Orientierungsspezifität Zellantwort Reiz 25 Primärer visueller Kortex (V1) Farbverarbeitung (Blobs) Simple Cells: Zellen, die auf hell-dunkel Unterschiede einer bestimmten Orientierung reagieren (Nach Gazzaniga et al., 1998) 26 13

14 Spezifität von Nervenzellen 27 Kortikale Areale 28 Aus 14

15 Parallelverarbeitung von Bewegung, Farbe, Form, Position und Tiefe Parallelverarbeitung natürliche Methode der Informationsverarbeitung im Gehirn Unterdimensionen des Sehens werden von verschiedenen neuronalen Netzwerken verarbeitet Bewegung, Farbe, Form, Position und Tiefe Verarbeitung getrennt und gleichzeitig Andere neuronale Netzwerke führen die Informationen zusammen Weitere Verarbeitung (z.b. Vergleich mit gespeicherten Informationen etc.) 29 Parallelverarbeitung von Farbe, Bewegung, Form und Tiefe Colliculus Superior (CS) ITC (Aus Eysel, 2006) 30 15

16 Additive Farbmischung Unterscheidung von Licht verschiedener Wellenlängen primär durch die 3 Zapfentypen mit max. Empfindlichkeit für verschiedene Wellenlängen S-Zapfen: kurzwelliges Licht (ca. 420 nm, rot), M-Zapfen: mittelwelliges Licht (ca. 530 nm, grün L-Zapfen: langwelligen Licht (ca. 560 nm, blau) Peripheren Mechanismen des Farbensehens entspricht der trichromatischen Theorie von Young, Helmholtz und Maxwell aus dem 19. Jahrhundert. Dreifarbentheorie: jede beliebige Farbe lässt durch die additive Mischung von 3 monochromatischen Lichtern erzeugen lässt additive Farbmischung. Mischt man die Lichtstrahlen aller drei Primärfarben (rot, grün, blau) so erhält man weisses Licht. 31 Subtraktive Farbmischung Farbige Gegenstände absorbieren Licht Subtraktive Farbmischung Mischen von Farbstoffen z.b. Farben aus dem Malkasten Je mehr Farbstoffe zusammengemischt werden, je weniger Licht kann zurückreflektiert werden. Mischen von rot, blau und gelb führt zu braun oder schwarz

17 Störungen des Farbensehens Rot-Grün Schwäche Fehlfunktion der Zapfen Häufigste Störung des Farbsehens 8% aller Männer 0.4% aller Frauen Weitere Farbsehstörungen Stäbchenmonochromaten alle 3 Zapfentypen beinträchtig Sehen auch bei Tageslicht nur mit dem Stäbchensystem Selten 33 Gegenfarbentheorie Gegenfarbtheorie (Hering) Visuelle Information wird in Bezug auf die Gegenfarben analysiert Rot / Grün, Blau / Gelb sowie Schwarz /Weiss Neurone durch Gegenfarben ein bzw. ausgeschaltet In Retina und im Corpus Geniculatum Laterale (CGL) des Thalamus Doppelgegenfarbenneurone (in V1) reagieren auf Farbkontrast zw. Feldzentrum und Feldperipherie ihrer rezeptiven Felder Demonstration der Gegenfarbentheorie Fokussieren Sie eine Minute auf den Punkt auf der Flagge und schauen Sie danach auf den schwarzen Punkt in dem weissen Feld daneben

18 Farbkonstanz Farbkonstanz Fähigkeit, bekannte Gegenstände auch unter stark wechselnden Lichtverhältnissen mit gleichbleibender Farbe wahrzunehmen. Beispiel Trotz anderer Wellenlängen des Lichts a Tageslicht, b Glühlampenlicht und c Leuchtstoffröhrenlicht (Aus Eyssel, 2006) 35 Farbwahrnehmung und Kontext Farbkonstanz Beispiel für Kontextabhängigkeit der Wahrnehmung Farbwahrnehmung nicht nur vom betrachteten Gegenstand abhängt, sondern auch von seiner Umgebung. Wenn sich der Kontext nicht ändert bleibt die Farbkonstanz erhalten. Verändert sich jedoch der Kontext, wird die gleiche Farbe unterschiedlich wahrgenommen, weil das Gehirn die Farbe eines Gegenstandes in Relation zu seinem Kontext berechnet relevant für Künstler, Innenarchitekten und Modedesigner 36 18

19 Dorsaler und ventraler Strom (Aus Goldstein, 2008) 37 Doppelte Dissoziation Läsionsexperimente von Pohl (1973) und Ungerleider & Mishkin (1982) mit Menschenaffen zeigten eine Doppelte Dissoziation: Entfernung des Temporallappens führt zu Versagen bei einer Objektunterscheidungsaufgabe, wo der dreieckige Klotz ausgewählt werden soll. Entfernung des Parietallappens führt zu Versagen bei einer Ortsunterscheidungsaufgabe, wo die näher zu einem Zylinder liegende Verdeckung aufgehoben werden soll. 38 Objektunterscheidungsaufgabe Ortsunterscheidungsaufgabe (Nach Goldstein, 2008) 19

20 Befunde beim Menschen (Aus Gazzaniga, et al. 1998) 39 Repräsentation von Objekten Hypothesen zur Repräsentation von Objekten Hypothese 1: Zwei Modul-Hypothese Gesichter werden in einem spezifischen Modul verarbeitet (fusiform face area, FFA), Objekte in einem separaten generellen Modul. Hypothese 2: Kategorie-spezifische Module Für jede Objektkategorie gibt es ein separates Modul. Extremform: Grossmutterzelle Hypothese 3: Merkmalskarten Objekte werden durch die Kombination von einfachen und komplexen visuellen Merkmalen repräsentiert. Hypothese 4: Prozesskarten In Abhängigkeit von der Erkennungsaufgabe werden verschiedene Aspekte visueller Information relevant

21 Module (Nach Ishai et al., 1999) 41 Dream Catcher 42 21

22 Objekterkennung (Nach Knoblich et al., 2002; Riesenhuber & Poggio, 1999) 43 Take-Home Messages Wahrnehmungen entstehen aus der Wechselwirkung zwischen vielen Neuronensystemen, die jeweils eine einfache Aufgabe ausführen. Die Verarbeitung beginnt in den mehrfachen neuronalen Schichten der Retina, anschließend übermitteln die 6 Mio. Zapfen und die 120 Mio. Stäbchen der Retina ihre Informationen über die bipolaren Zellen an die Ganglionzellen. Die Impulse wandern entlang der Axonen der Ganglionzellen, die den Sehnerv bilden, zum Thalamus und weiter zum visuellen Kortex. In der Sehrinde (primärer visueller Kortex, V1) reagieren Merkmalsdetektoren auf die besonderen Merkmale eines visuellen Reizes. Die übergeordneten Zellen eines höheren Niveaus führen diese gesammelten Daten zusammen, um sie dann in anderen Arealen des Kortex zu verarbeiten. Im dorsalen Strom wird räumliche Information verarbeitet, was für die Steuerung der Visuomotorik wichtig ist (Wo/Wie Strom). Im ventralen Strom wird v.a. Form und Farbe verarbeitet für die Wahrnehmung und Erkennung von Objekten (Was Strom). Wenn die sensorischen Signale die unterschiedlichen Verarbeitungsniveaus durchlaufen (bottom-up), werden sie von unseren Annahmen, Interessen und Erwartungen beeinflusst (topdown)

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 45 23