Faszination Wunder Gehirn Optische Täuschungen als Werkzeug der Neurowissenschaften

Transkript

1 Isnyer Fortbildungstage für PTA 14. November 2016 Faszination Wunder Gehirn Optische Täuschungen als Werkzeug der Neurowissenschaften Uwe Ilg Hertie-Institut für klinische Hirnforschung Universität Tübingen

2 Wozu braucht man ein Gehirn? Beispiel Seescheiden (Ascidien) Adulte Larven 1. Bewegung - Ansteuerung der Muskeln - Korrektur der Sinnesorgane Berührung Augen menschliches Gehirn 100 Milliarden Meinertzhagen & Okamura

3 Welche Sportart setzt höchste Ansprüche an die kognitiven Fähigkeiten? 3

4 eher überschaubare Fähigkeiten 4

5 aber: technische Umsetzung noch sehr unterschiedlich! 5

6 Wozu braucht man ein Gehirn? 2. Lernen und Gedächtnis Patient HM ( ) Epilepsie, Schläfenlappen auf beiden Seiten (1953) entfernt nach Operation keine Gedächtnisbildung mehr konnte sich aber an Ereignisse vor der Operation erinnern 6

7 Wozu braucht man ein Gehirn? Lernen und Gedächtnis Langzeitpotenzierung (LTP) Effizienz von Synapsen 7

8 Wozu braucht man ein Gehirn? Lernen und Gedächtnis Neurogenese im Neocortex von erwachsenen Primaten Entstehung von neuen Nervenzellen in adulten Tieren Markierer für DNA-Verdoppelung: Bromodesoxyuridin (BrdU) für Thymidin Gyrus dendatus Neurogenese bei Säugern: i) Subventrikularzone ii) Hippocampus iii) Bulbus olfactorius Subventrikularzone Pinselohraffen Lebensspanne 8 16 Jahre Seneszenz beginnt 8 10 Jahre Leuner et al

9 menschliches Gehirn 100 Milliarden Nervenzellen Vorderhirn Neocortex Archicortex Paleocortex Zwischenhirn Thalamus Hypothalamus Mittelhirn Vierhügelplatte Nachhirn Cerebellum Brückenkerne verlängertes Mark Medulla oblongata Rückenmark 9

10 Methoden 1. PET Positronen-Emissions-Tomographie Positronenstrahler 15 O (2.04 min, inhalation), 11 C (20 min), 18 F ( 18 F-2-DG, 109 min)

11 Farb- und Bewegungswahrnehmung V4 V5 V1 11

12 2. MRT Magnetresonanztomographie MRT T 1 gewichtete Aufnahme 12

13 3. fmrt funktionelle Magnetresonanztomographie 13

14 Aktivität [Hz] Aktivität [Hz] 4. Einzelzellphysiologie Binokuläre Rivalität Bericht Null-Orientierung Bericht Vorzugs-Orientierung Zeit [ms] 14 Zeit [ms]

15 Empfindung E 15 Gesetze der Wahrnehmung: Psychophysik Naive Annahme: Sinnesorgane geben uns objektive Information über unsere Umwelt Subjektive Wahrnehmung Psychologie Exakte Vermessung Physik Weber-Fechner sches Gesetz R = E 1.3 R = E R = E 0.5 Weber sche Gesetz 14 Schmerz gerade noch wahrnehmbarer Unterschied skaliert mit Reizstärke Muskellänge Beispiele: Gewichte, Kerzen 6 4 Lautstärke Helligkeit Reizstärke R

16 neuronales Substrat der visuellen Wahrnehmung 16 Wo X Was

17 Mechanismen der Wahrnehmung durch optische Täuschungen verdeutlichen Müller-Lyer-Illusion

18 18 1. Wahrnehmung wird durch Adaptation (Anpassung) beeinflusst Bewegung Mengen Farbe

19 19 Bewegung Bewegungs-Nacheffekt Wasserfall Illusion

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22 22 Mengen Wie weit können Sie zählen? Wörter für Zahlen: eins, zwei, drei.. siebenhunderttausenddreihundertfünfundvierzig

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24 24

25 25

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28 28 x Farbe

29 29 x Farbe

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36 36 Erklärung dieser Phänomene der Nacheffekte: Adaptation auf zellulärer Ebene Nervenzellen zeigen vor allem phasische Eigenschaften d.h. nur Änderungen werden kodiert Adaptation als einfache Form des Lernens technische Systeme: SIRI Basis für extreme Breite des dynamischen Bereichs: Zeitung lesen im Mondschein bis Skifahren auf dem Gletscher

37 37 2. Farbwahrnehmung Computer, Fernseher: Pixel (picture element) für rot, grün und blau Auge: Sinneszellen für rot, grün und blau Additive Farbmischung Subtraktive Farbmischung

38 Farbkonstanz Farbwahrnehmung ist unabhängig von der aktuellen Beleuchtung 38

39 Erklärung dieser Phänomene der Farbwahrnehmung: Farbwahrnehmung ist ein globaler Vorgang, findet in der Großhirnrinde statt Photorezeptoren (Zapfen) in der Netzhaut sollten nicht nach Farben, sondern nach den physikalischen Eigenschaften des Lichts benannt werden. Rot-Zapfen Grün-Zapfen Blau-Zapfen Zapfen für langwelliges Licht Zapfen für Licht einer mittleren Wellenlänge Zapfen für kurzwelliges Licht 39

40 40 3. Formwahrnehmung. ein Dalmatiner?

41 Einfluss des Nachbarn: laterale Inhibition 41

42 42

43 Kanizsa-Dreieck 43

44 44 Ponzo Illusion

45 Zöllner Illusion 45

46 Hering Illusion 46

47 47 Sehen von Formen Wahrnehmung einer Form erfolgt niemals isoliert! Fraser Spirale

48 aufrechte Welt: erfolgreiche Formwahrnehmung setzt eine normale Orientierung voraus 48

49 aufrechte Welt: erfolgreiche Formwahrnehmung setzt eine normale Orientierung voraus 49

50 aufrechte Welt 50

51 aufrechte Welt 51

52 Erklärung dieser Phänomene der Formwahrnehmung: Objektwahrnehmung geschieht niemals isoliert Eigenschaften eines Objektes werden durch die Eigenschaften der Umgebung beeinflusst 52

53 53 4. Bistabile Wahrnehmung Sandro Del Prete

54 Necker Würfel 54

55 Wahrnehmung einer Bewegungsrichtung 55

56 5. Augenbewegungen 56 Akiyoshi Kitaoka

57 Augenbewegungen (Menschen) Kopfbewegungen (Vögel) 57

58 58 6. Bewegungswahrnehmung Troxler Illusion

59 Verarbeitung von Bewegung Als erstes wird ein Objekt erkannt, danach kann v = dx/dt berechnet werden Position 1 zu t 1 Position 2 zu t

60 60 form follows function form follows motion

61 61

62 62 Geschwindigkeitswahrnehmung ist abhängig vom Kontrast Autofahren im Nebel foot step illusion

63 63 7. Aufmerksamkeit ein Beispiel für Change Blindness Bild 1 xxxxx Bild 2

64 Change Blindness im Alltag The Door Study (Simons & Levin 1998)

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66 Erklärung dieser Phänomene der Aufmerksamkeit: Aufmerksamkeit hilft uns, wichtige Information von unwichtiger Information zu trennen Wir ertrinken nicht in der Datenflut von unseren Sinnesorganen Symbol eines Taschenlampenkegels Ausrichtung der Aufmerksamkeit entweder willkürlich (top-down) oder reflexiv (bottom-up) 66

67 67 Faszination Wunder Gehirn Wir beginnen dank komplizierter physikalischen Messverfahren intensiven Untersuchungen von Patienten individuelle Genetik (Molekularbiologie) tierexperimenteller Ansätze einfache Vorgänge im Gehirn zu verstehen (Verarbeitung eines Reizes für Wahrnehmung oder Handlung). Aber wie letztendlich Gedanken entstehen (z.b. wie funktioniert eigentlich mein Gehirn ) ist immer noch ein großes Geheimnis