Grundlagen visueller Informationsverarbeitung

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1 Grundlagen visueller Informationsverarbeitung Grundlagen visueller Wahrnehmung

2 Was ist Wahrnehmung? Den Wahrnehmungsprozess kann man folgendermaßen beschreiben: Umweltreize treffen auf ein Sinnesorgan. Die Rezeptoren des Sinnesorgans wandeln die Reize in elektrische Signale um, die über Nervenbahnen an das Gehirn geschickt werden. Die von den Rezeptoren erzeugten Signale werden auf dem Weg zum Gehirn und im Gehirn selbst analysiert und verarbeitet, bis schließlich ein bewusstes Wahrnehmungserlebnis eintritt. Quelle: Was ist Wahrnehmung? Um Wahrnehmungen zu verstehen, ist es nötig, ihre biologisch-physiologischen Grundlagen zu kennen, vor allem Bau und Funktion der Sinnesorgane sowie deren neurobiologische Vernetzung mit dem Gehirn. Quelle:

3 Was ist Wahrnehmung? Die Wahrnehmung wird nicht allein durch die empfangenen Umweltreize bestimmt, sondern auch von den Erfahrungen, Erwartungen, Bedürfnissen, Einstellungen und dem Wissen des Individuums. Quelle: Ein Beispiel Quelle: perso.orange.fr

4 Weitere Beispiele Quelle: Weitere Beispiele Quelle:

5 und noch ein Beispiel Wie sind Außenwelt und Innenwelt verbunden? Verbindung zwischen Objekt und Subjekt (Fechner) Distaler Reiz Ein distaler Reiz, d. h. eine physikalisch messbare Größe, wird mit Hilfe von Rezeptoren, also Sinnesorganen aufgenommen. Die gewonnenen Daten werden im Gehirn ausgewertet und interpretiert. Necker-Würfel

6 Wie sind Außenwelt und Innenwelt verbunden? Verbindung zwischen Objekt und Subjekt Proximaler Reiz Der proximale Reiz ist die Sinnesaktivität bzw. das Abbild des distalen Reizes in/auf einem Rezeptor wie z. B. der Netzhaut des Auges. Der physikalische Stimulus (z. B. Licht) wird in ein lokales Potential umgewandelt, in das so genannte Rezeptorpotential. Dieses transportiert die Informationen (z. B. die Helligkeit oder Intensität des Lichtes) zum Gehirn. Rezeptorpotentiale Wie sind Außenwelt und Innenwelt verbunden? Verbindung zwischen Objekt und Subjekt Proximaler Reiz Der proximale Reiz ist die Sinnesaktivität bzw. das Abbild des distalen Reizes in/auf einem Rezeptor wie z. B. der Netzhaut des Auges. Der physikalische Stimulus (z. B. Licht) wird in ein lokales Potential umgewandelt, in das so genannte Rezeptorpotential. Dieses transportiert die Informationen (z. B. die Helligkeit oder Intensität des Lichtes) zum Gehirn. EEG fmri

7 Wie sind Außenwelt und Innenwelt verbunden? Verbindung zwischen Objekt und Subjekt Perzept Das Perzept ist schließlich das erfahrene Ergebnis des gesamten Wahrnehmungsprozesses, der unterschiedliche psychische Prozesse wie Bewerten, Erinnern, Vergleichen, Assoziieren, etc. umfasst. Wie sind Außenwelt und Innenwelt verbunden? Verbindung zwischen Objekt und Subjekt Objekt (distaler Reiz) Sinnesorgan/Gehirn (Rezeptor) Wahrnehmungserlebnis (Perzept) Subjekt (proximaler Reiz) Was wir wahrnehmen, entspricht dem distalen Reiz, d. h. dem "wirklichen" Objekt in der Umwelt. Der Reiz, aus dem wir unsere Informationen ableiten, ist jedoch der proximale Reiz - das Netzhautbild.

8 Wie sind Außenwelt und Innenwelt verbunden? Verbindung zwischen Objekt und Subjekt Objekt (distaler Reiz) Sinnesorgan/Gehirn (Rezeptor) Subjekt (proximaler Reiz) Wahrnehmungserlebnis (Perzept) Was wir wahrnehmen, entspricht dem distalen Reiz, d. h. dem "wirklichen" Objekt in der Umwelt. Der Reiz, aus dem wir unsere Informationen ableiten, ist jedoch der proximale Reiz - das Netzhautbild. Wie sind Außenwelt und Innenwelt verbunden? Verbindung zwischen Objekt und Subjekt Wahrnehmung kann man sich als einen Prozess vorstellen, in dessen Verlauf der distale Reiz aus Informationen des proximalen Reizes erschlossen wird. Das gilt für alle Wahrnehmungsbereiche. Auch beim Hören, Tasten, Schmecken usw. besteht Wahrnehmung darin, die Informationen aus dem proximalen Reiz zu nutzen, um etwas über die Eigenschaften des distalen Reizes aussagen zu können (Zimbardo & Gerrig: Psychologie. 7. neu übers. und bearb. Aufl. Berlin u. a. 1999, S. 109).

9 Definitionen Wahrnehmung Wahrnehmung bezeichnet im Allgemeinen den Vorgang der bewussten Aufnahme von Informationen eines Lebewesens über seine Sinne. Wahrnehmung ist demnach die Summe der Schritte Aufnahme, Auswahl, Verarbeitung (z. B. Abgleich mit Vorwissen) und Interpretation von sensorischen Informationen. Aber: Nur jene Informationen werden berücksichtigt, die der Anpassung (Adaptation) des Wahrnehmenden an die Umwelt dienen oder die ihm eine Rückmeldung über Auswirkungen seines Verhaltens geben. Definitionen Wahrnehmung Gemäß dieser Definition sind also nicht alle Sinnesreize Wahrnehmungen, sondern nur diejenigen, die kognitiv verarbeitet werden und der Orientierung eines Subjekts dienen. Die aufgenommenen und ausgewerteten Informationen werden Perzepte genannt. Die Fähigkeit zur Sinneswahrnehmung kann bewusst durch Aufmerksamkeit gesteigert werden. Wahrnehmung ermöglicht sinnvolles Handeln und, bei höheren Lebewesen, den Aufbau von mentalen Modellen der Welt und dadurch antizipatorisches und planerisches Denken.

10 Definitionen Kognitiv Wir bezeichnen hier mit diesem Begriff die im Gehirn ablaufenden Informationsverarbeitungsprozesse, die für intelligentes Handeln notwendig sind Erkennungs- oder Abstraktionsleistungen oder das Interpretationsvermögen also, im Falle visueller Wahrnehmung, die Fähigkeit, aus einem visuellen Reiz ein bedeutungstragendes Objekt zu machen sind demnach kognitive Leistungen. Beispiel für kognitive Prozesse: Such- oder Entscheidungsaufgaben. Ein visueller Suchprozess etwa ist demnach eine bestimmte Aneinanderreihung visueller Perzepte, visueller Eindrücke, die sich ergeben durch eine intelligente Verschaltung sensomotorischer Eingaben wie Augenbewegungen und retinal aufgenommener und dann kortikal weiterverarbeiteter Information. Definitionen Mentale Modelle Ein mentales Modell ist das Abbild der Wirklichkeit in der menschlichen Wahrnehmung. Gedächtnis, Wirklichkeitswahrnehmung, Problemlösung und alle anderen Denkleistungen beruhen auf der Anwendung dieser Abbilder (sog. kognitiver Artefakte). Vermutlich beruht auch das Textverständnis auf dem Entstehen mentaler Modelle der beschriebenen Situation und nicht auf einem semantischen Abbild (d.h. Speicherung und Verarbeitung der Wörter). (Johnson-Laird, 1983)

11 Definitionen Mentale Modelle Ein Beispiel zum letzten Absatz: Afugrnud enier Sduite an enier Elingshcen Unvirestiät ist es egal, in wlehcer Rienhnelfoge die Bcuhtsbaen in eniem Wrot sethen, das enizg wcihitge dbaei ist, dsas der estre und lzete Bcuhtsbae am rcihgiten Paltz snid. Der Rset knan ttolaer Bölsinn sien, und du knasnt es torztedem onhe Porbelme lseen. Betshet heir ein Zsumamneahng zu meanteln Moedelln? Definitionen Mentale Modelle Mentale Modelle sind individuelle kognitive Repräsentationen von Problemsituationen, geographischen Gegebenheiten, Systemen, Texten etc. Es sind Abbilder der Wirklichkeit, d.h. sie werden aufgrund äußerer Eindrücke aufgebaut, und sie ermöglichen es, auch mit neuen Situationen zurecht zu kommen. Sie ändern sich mit jeder Aktivierung und nehmen neue Informationen auf. Mentale Modelle können unterschiedliche Formen haben. Sie können beispielsweise eine zusammenfassende Textrepräsentation darstellen, aber auch ein dynamisches Ablaufmodell eines komplexen Vorgangs.

12 Definitionen Mentale Modelle Beispiel Quelle: Was passiert, wenn der runde Knauf nach oben oder unten bewegt wird? Definitionen Mentale Modelle Erklärung Die äussere Gestaltung der Maschine legt nahe, dass es sich um einen durchgehenden Metallstab handelt, an dem Knauf und Pfeil befestigt sind: sich ergänzende Linien rechteckiges Loch So wurde implizit eine Vorstellung davon vermittelt, wie das Gerät im Innern aussehen mag. Nur traf dieses mentale Modell hier nicht zu, wir wurden in die Irre geleitet. Resultat: der Betrachter ist verwirrt und irritiert. Nicht immer sind die Folgen harmlos. Das Beispiel ist natürlich konstruiert. Das Phänomen lässt sich aber in vielen realen Situation wiedererkennen.

13 Definitionen Mentale Modelle Lösungsvorschlag In einem solchen Fall ist die Frage angebracht, ob das Problem nicht auf fundamentalerer Ebene (d.h. mit anderem Mechanismus) gelöst werden sollte. In der Realität ist dies aber oft mit erheblichem Aufwand verbunden. Eine brauchbare Lösung könnte in diesem Fall allerdings auch mit rein kosmetischen Mitteln erreicht werden, indem die Rotationsbewegung durch grafische Mittel vorweggenommen würde. Einige äusserliche Veränderungen geben nun Hinweise darauf, dass sich der Pfeil drehen wird: runde Skala rundes Loch Die Lösung ist nicht ideal, aber pragmatisch. Definitionen Mentale Modelle Lösungsvorschlag Quelle:

14 Definitionen Mentale Modelle Bei lernfähigen Lebewesen bleibt ein Teil der Wahrnehmungen im Gedächtnis, zumindest die wichtigen, dem Überleben dienenden. Bei ausreichender Intelligenz können in diesen Erfahrungen Muster erkannt und aus diesen wiederum Regeln abgeleitet werden. Über die Zeit entstehen so mentale Repräsentationen der individuell relevanten Ausschnitte der Welt, also gewissermaßen verkleinerte Abbilder der Realität im Gedächtnis. Die Wahrnehmung variiert dabei durch die individuellen Gedächtnisinhalte, Stimmungen und Denkprozesse des Wahrnehmenden, die zum Aufbau des mentalen Modells benutzt werden. Daraus resultiert, dass jedes Wesen eine eigene Wahrnehmung hat. Definitionen Mentale Modelle Diese Modelle werden benötigt um Informationen, die neu aufgenommen werden sollen, überhaupt erst in einen Kontext einordnen zu können und somit verstehen und bewerten zu können. Mit der Neuaufnahme von Informationen und Eindrücken werden dann die Möglichkeiten zur Abbildung der Realität in ein mentales Modell für zukünftige Wahrnehmungen konstant erweitert, es tritt also ein Lerneffekt ein. Dabei sind nicht nur die Komponenten des mentalen Modells bei jedem Menschen unterschiedlich, sondern auch ihre Gewichtung. Während einige Menschen eher bildhaft denken, orientieren sich andere eher an anderen Sinneseindrücken und Erfahrungen, wie beispielsweise Schmerz oder Glück. Die Aussage Ein Bild sagt mehr als tausend Worte ist demnach so nicht immer zutreffend.

15 Definitionen Zusammenfassung Wahrnehmung beinhaltet alle physiologischen und psychologischen Prozesse, die der Orientierung in der Umwelt dienen. Wahrnehmung ermöglicht Entwicklung einer mentalen Repräsentation des eigenen Körpers und der Umwelt. Wahrnehmung erlaubt stetige Anpassung an sich ändernde Umweltbedingungen und Änderung der Umwelt durch den Betrachter. Wahrnehmung ist durch Sinnesorgane und damit verknüpfte Verarbeitungsmechanismen vermittelt. Sie begrenzen die Möglichkeiten unserer Wahrnehmung. Wahrnehmung Aufgaben und Leistungen Analyse natürlicher Szenen Lokalisation, Identifikation von Objekten Suchen und Finden von Objekten Vorhersage von bewegten Objekten Visuelle Steuerung von Körperbewegungen Größen-, Helligkeits-, Farbkonstanz

16 Vom visuellen Stimulus zum Perzept Quelle: Visueller Reiz Licht = elektromagnetische Wellen Wellenlänge (nm)

17 Aufbau des menschlichen Auges Äußerlich sichtbare Bestandteile Cornea Pupille Iris Sklera Aufbau des menschlichen Auges Äußerlich sichtbare Bestandteile Cornea Pupille Iris Sklera Weiße, robuste Hautschicht, die das Auge umschließt Stärke: 0,4 1,0 mm

18 Aufbau des menschlichen Auges Äußerlich sichtbare Bestandteile Cornea Pupille Iris Sklera Vorderer Teil der Sklera, transparent Durch Tränenflüssigkeit vor Austrocknung geschützt Aufbau des menschlichen Auges Äußerlich sichtbare Bestandteile Cornea Pupille Iris Sklera Pigmentierter Muskelring (antagonistisch) Verändert die Pupillenweite: Vergrößerung bei schlechter Beleuchtung, Verkleinerung bei hellem Licht Adaptation

19 Aufbau des menschlichen Auges Äußerlich sichtbare Bestandteile Cornea Pupille Iris Sklera Öffnung in der Mitte der Iris Größe: zwischen 1,5 und 8-12 mm Aufbau des menschlichen Auges Schnittbild (sagittal) Pupille Cornea Linse Iris Fovea Sehnerv Retina Sklera

20 Aufbau des menschlichen Auges Schnittbild (sagittal) Pupille Cornea Licht Fovea Sehnerv Linse Iris Retina Sklera Aufbau des menschlichen Auges Schnittbild (sagittal) Pupille Cornea Licht Fovea Sehnerv Linse Iris Retina Sklera Brechung des einfallendes Lichts Erzeugung eines scharfes Bild auf der Retina

21 Aufbau des menschlichen Auges Cornea und Linse: Akkomodation Quelle: (verändert) Je nach Entfernung des betrachteten Objekts verändern Ziliarmuskeln die Linsenform: Objekt fern: Linse flach, kaum Brechung Objekt nah: Linse bauchig, starke Brechung Aufbau des menschlichen Auges Schnittbild (sagittal) Pupille Cornea Licht Fovea Sehnerv Linse Iris Retina Sklera Retina (Netzhaut) kleidet den Augenhintergrund aus Stärke: ca. 0,5 mm

22 Aufbau des menschlichen Auges Schnittbild (sagittal) Pupille Cornea Licht Fovea Sehnerv Linse Iris Retina Sklera Enthält Photorezeptoren und Nervenzellen Photopigmente der Photorezeptoren absorbieren Licht Aufbau des menschlichen Auges Schnittbild (sagittal) Pupille Cornea Licht Fovea Sehnerv Linse Iris Retina Sklera Biochemische werden in elektrische Signale umgewandelt Nervenzellen leiten Informationen weiter zur kortikalen Verarbeitung

23 Aufbau des menschlichen Auges Schnittbild (sagittal) Pupille Cornea Licht Fovea Sehnerv Linse Iris Retina Sklera Bereich des schärfsten Sehens auf der Retina Größe: ca. 2 o Blickwinkel Aufbau des menschlichen Auges Schnittbild (sagittal) Pupille Cornea Licht Fovea Sehnerv Linse Iris Retina Sklera Abbildungsbereich des Fixationspunktes Sehgrube bzw. Makula (lutea) oder Gelber Fleck

24 Aufbau des menschlichen Auges Schnittbild (sagittal) Pupille Cornea Licht Fovea Sehnerv Linse Iris Retina Sklera Photorezeptoren fehlen in diesem Bereich Austrittsort des Sehnervs: Papille bzw. blinder Fleck Aufbau der Retina Stäbchen Zapfen Pigmentepithel Bipolarzelle Horizontalzelle Ganglienzelle Amakrinzelle Sehnerv Quelle: [ , verändert]

25 Aufbau der Retina Stäbchen Zapfen Bipolarzelle Pigmentepithel Horizontalzelle Amakrinzelle Ganglienzelle Sehnerv Die lichtempfindlichen Photorezeptoren befinden sich auf der äußeren Seite der Netzhaut Licht muss zunächst übrige Zellbereiche durchqueren Aufbau der Retina Stäbchen Zapfen Bipolarzelle Pigmentepithel Horizontalzelle Amakrinzelle Ganglienzelle Sehnerv Aufbauprinzip: sog. inverses Auge Problem: Reduktion der Lichtempfindlichkeit Lösung: Im Bereicht der Fovea sind Nervenzellen zum Rand hin verlagert, Rezeptoren so fast direkt zugänglich

26 Aufbau der Retina Stäbchen Zapfen Bipolarzelle Pigmentepithel Horizontalzelle Amakrinzelle Ganglienzelle Sehnerv Einzellige Schicht (angereichert mit Farbstoff Melamin) Funktionen: Versorgung der Retina mit Nährstoffen... Aufbau der Retina Stäbchen Zapfen Bipolarzelle Pigmentepithel Horizontalzelle Amakrinzelle Ganglienzelle Sehnerv Funktionen (Fsg.): Auskleidung des Augenhintergrundes zur Absorption von Streulicht Alternativ: Verspiegelung, z.b. bei Raubtieren

27 Aufbau der Retina Stäbchen Zapfen Bipolarzelle Pigmentepithel Horizontalzelle Amakrinzelle Ganglienzelle Sehnerv Zapfen und Stäbchen sind Photorezeptoren und absorbieren Licht Bezeichnung aufgrund ihrer Form Aufbau der Retina Stäbchen Zapfen Bipolarzelle Pigmentepithel Horizontalzelle Amakrinzelle Ganglienzelle Sehnerv Funktionen: Zapfen ermöglichen Farbsehen, funktionieren aber nur bei guter Beleuchtung Stäbchen arbeiten auch bei schlechter Beleuchtung, erlauben aber nur grau-wertige Wahrnehmung

28 Aufbau der Retina Stäbchen Zapfen Bipolarzelle Pigmentepithel Horizontalzelle Amakrinzelle Ganglienzelle Sehnerv Vertikale Informations-Weiterleitung Direkte Verbindung von Rezeptoren über Bipolarzellen zu Ganglienzellen Aufbau der Retina Stäbchen Zapfen Bipolarzelle Pigmentepithel Horizontalzelle Amakrinzelle Ganglienzelle Sehnerv Horizontale Verbindungen Verknüpfung von Informationen mehrerer Rezeptoren über Horizontal- und Amakrinzellen Weiterleitung kombinierter Information zu Ganglienzellen

29 Aufbau der Retina Stäbchen Zapfen Bipolarzelle Pigmentepithel Horizontalzelle Amakrinzelle Ganglienzelle Sehnerv Retinal vorverarbeitete Information verlässt das Auge über den Sehnerv zur anschließenden kortikalen Weiterverarbeitung Retinale Rezeptortypen Stäbchen Zapfen Bipolarzelle Pigmentepithel Horizontalzelle Amakrinzelle Ganglienzelle Sehnerv ca. 120 Mio. Stäbchen ca. 6 Mio. Zapfen Prinzipiell analoger Zellaufbau

30 Retinale Rezeptortypen Aufbau Oberer Zellteil besteht aus ca Membranscheibchen (Stäbchen) bzw. einfaltungen (Zapfen) In diesen sog. disks sind Sehfarbstoffe eingelagert Hier findet die Umwandlung von Licht in elektrische Signale statt Unterer Zellteil stellt synaptischen Kontakt zu nachfolgenden Neuronen her Retinale Rezeptortypen Reizleitung (allg.) Physiologische Besonderheit: Bei Wirbeltieren erfolgt bei Lichteinfall keine Depolarisation der Rezeptormembran sondern Hyperpolarisation D.h., bei vollständiger Dunkelheit werden ständig Transmitter freigesetzt (unvollständige Depolarisation, keine Aktionspotentiale) Grund: partielle verstärkte Dunkeldurchlässigkeit der Membran, d.h. Na + -Aufnahme & K + - Ausschüttung: Dunkelstrom Bei Dunkelheit: Rezeptor- Depolarisation kont. Aktivität

31 Retinale Rezeptortypen Reizleitung (allg.) Reaktion der Pigmente auf Licht durch Bleichen Moleküle des Sehfarbstoffs werden unter Aufnahme von Photonen umgewandelt Prozess kaskadiert, schließt Na-Kanäle und reduziert so Dunkelstrom Hyperpolarisation Retinale Rezeptortypen Reizleitung (allg.) Unter günstigen Umständen kann ggf. ein einziges Photon eine Reaktion des Rezeptors hervorrufen (alle Na-Kanäle geschlossen) So können z.b. auch extrem schwache Lichtblitze bei Dunkelheit gut wahrgenommen werden Sättigung: alle Na-Kanäle geschlossen, daher keine Reaktion auf Helligkeitsverstärkung in bereits hellen Umgebungen

32 Retinale Rezeptortypen Reizleitung Stäbchen und Zapfen reagieren in Abhängigkeit vom Lichtstimulus unterschiedlich Stäbchen: Helligkeitsrezeptoren Gehirn interpretiert Stäbchen- Signale als S/W-Werte Liegen nur solche Helligkeitsinformationen vor: skotopisches Sehen N.B.: eigentlich grün-rezeptoren : Stäbchen-Disks enthalten Rhodopsin beste Reaktion auf λ 540 nm Zapfen: Farbinformation: photopisches Sehen Retinale Rezeptortypen Stäbchen Helligkeits-/ S/W-Sehen Extrem lichtempfindlich Bereits geringe Photonen- Absorption löst Reaktion aus (s.o.) Bei Dunkelheit werden nur Stäbchen gereizt, so dass nur Grautöne erzeugt werden Selbst schwarze Objekte erscheinen in Eigengrau Wahrnehmen von Schwarz erfordert Simultankontraste

33 Retinale Rezeptortypen Stäbchen Simultankontrast Retinale Rezeptortypen Stäbchen Simultankontrast

34 Retinale Rezeptortypen Stäbchen Simultankontrast Retinale Rezeptortypen Stäbchen Simultankontrast

35 Retinale Rezeptortypen Stäbchen Simultankontrast Retinale Rezeptortypen Stäbchen Hell-Adaptation Beim Übergang vom Dunkeln ins Helle kommt es zu einer starken Aktivierung der Stäbchen, da zuvor (in Dunkelheit) übermäßig viele Rhodopsine gebildet wurden. Mit dem Zerfall der Rhodopsine ensteht Blendung Hell-Adaptation erreicht ihr Maximum nach ca. 1 Minute

36 Retinale Rezeptortypen Stäbchen Dunkel-Adaptation Zusammenwirken von Sofort-Adaptation der Zapfen und Daueradaptation der Stäbchen In heller Umgebung sind Rhodopsine fast vollständig zerfallen, diese müssen in den Stäbchen wiederhergestellt werden Da Stäbchen empfindlicher reagieren, selbst auf nur geringe Lichtreize, muss hier wesentlich mehr Farbsehstoff (Rhodospin) hergestellt werden als in Zapfen, um die Bleichungs-W keit zu erhöhen langsame Dunkel- Adaptation bei Stäbchen Dunkel-Adaptation erreicht ihr Maximum erst nach Minuten Retinale Rezeptortypen Stäbchen Dunkel-Adaptation

37 Retinale Rezeptortypen Zapfen Farbensehen Drei Zapfensorten: R-, G-, B-Zapfen Unterscheidung durch eingelagerten Farbstoff Reagieren auf Reiz-Wellenlängen: Gelb-Grün, Blau-Grün, Violett Drei Zapfensorten realisieren vier Grundfarben: Rot, Grün, Gelb, Blau Retinale Rezeptortypen Zapfen Begründung: in der ersten Verarbeitungsstufe der Retina werden je zwei der drei Zapfen als inhibitorischer und exzitatorischer Input der Farben zusammengefasst

38 Retinale Rezeptortypen Verteilung von Stäbchen und Zapfen Quelle: Carbone/Kösling: Eye-tracking. Visuelle Wahrnehmung. IK Retinales Abbild Quelle: [ ]

39 Funktionsweise der Retina Stäbchen Zapfen Bipolarzelle Pigmentepithel Horizontalzelle Amakrinzelle Ganglienzelle Sehnerv Auf der Netzhaut existieren ca. 126 Mio. Rezeptoren Es gibt allerdings nur ca. 1 Mio. Ganglienzellen Wie erfolgt die Komprimierung der Rezeptorpotentiale und ihre Weiterleitung? Funktionsweise der Retina Lösung: Rezeptive Felder Ganglienzellen fassen Eingaben aus einem bestimmten Areal von mehreren Rezeptoren, verschaltet über Bipolar und Horizontalzellen, und zusätzliche Informationen von Amakrinzellen zusammen So generierte Aktionspotentiale (Ausgabe) werden zur kortikalen Verarbeitung weitergeleitet on-feld

40 Funktionsweise der Retina Rezeptive Felder Erklärung des Simultankontrasts Liegt das rezeptive Feld komplett in einer Helligkeitsstufe, so heben sich Erregung und Hemmung auf Funktionsweise der Retina Rezeptive Felder Erklärung des Simultankontrasts Liegt dagegen das Zentrum im Hellen und die Peripherie nur teilweise, so ist die Reizung stärker als bei komplett beleuchteten Feldern. Das Feld erscheint heller. Solche simultanen Grenzkontraste heißen Mach-Bänder

41 Funktionsweise der Retina Rezeptive Felder Erklärung des Simultankontrasts (Beispiele) Funktionsweise der Retina Rezeptive Felder Erklärung des Simultankontrasts (Beispiele)

42 Funktionsweise der Retina Rezeptive Felder Aufbau eines rezeptiven Feldes in der Retina Noch nicht endgültig geklärt Es existieren nur theoretische Modelle Funktionsweise der Retina Rezeptive Felder Aufbau eines rezeptiven Feldes in der Retina Rezeptives Zentrum: Zusammenfassung einiger Rezeptoren über Bipolarzelle und Weiterleitung als exzitatorischer Reiz an Ganglienzelle

43 Funktionsweise der Retina Rezeptive Felder Aufbau eines rezeptiven Feldes in der Retina Rezeptives Umfeld: Wirkung entgegen der Erregung der Ganglienzelle des Zentrums durch inhibitorische Reize anderer Biplorzellen Funktionsweise der Retina Rezeptive Felder Aufbau eines rezeptiven Feldes in der Retina Rezeptives Umfeld: zur Abdeckung des gesamten Umfeldes verknüpfen Horizontalzellen Rezeptoren über größere lokale Ausdehnung hinweg (inhibitorisch)

44 Funktionsweise der Retina Rezeptive Felder Aufbau eines rezeptiven Feldes in der Retina Amakrinzellen stellen alternative Verbindungen zwischen Biplorzellen und Ganglienzellen her Sie reagieren auf Bewegung, d.h. auf Veränderungen der Signale von Biploarzellen, also auf Lichtveränderungen Funktionsweise der Retina Rezeptive Felder Typen Stäbchen On-Zentrum Off-Zentrum On-off (Reaktion auf Lichtänderungen) Zapfen Gegenfarbfelder: Rot-Grün und Geld-Blau

45 Funktionsweise der Retina Rezeptive Felder Funktionsweise der Retina Rezeptive Felder Topologie Rezeptive Felder sind stark überlappend auf der Retina angeordnet Ein Rezeptor beeinflusst somit viele Ganglienzellen, sowohl als Zentrums- als auch als Umfeldrezeptor Kontrastränder im Blickfeld erregen somit mehrere rezeptive Felder

46 Funktionsweise der Retina Rezeptive Felder Größenverhältnisse Rezeptive Felder im Foveabereich kleiner als in der Peripherie: 0,25-0,5 o vs. 2-4 o Verhältnis Zentrum/Umfeld abhängig vom Adaptationszustand Helladaptation: Zentrum klein, Peripherie groß Dunkeladaptation: kein Umfeld Funktionsweise der Retina Ausgangssignale Vorverarbeitung durch laterale Verschaltungen Zwei unterschiedliche Gruppen von Ganglienzellen: Reaktion auf Form und Farben Spezialisierung auf Bewegungsdetektion Getrennte Informationsverarbeitung im weiteren Verlauf der Sehbahn

47 Funktionsweise der Retina P- und M-System Zwei parallele, anatomisch getrennte Systeme, die (anatomisch getrennt) durch die gesamte Sehbahn verlaufen P-System (parvozellulläres System, genannt nach den kleinzelligen Neuronen dieses Systems im Thalamus): Form-/Farbinformation M-System (magnozelluläres System, nach großzelligen Thalamusneuronen): Orts- und Bewegungsinformation, farbenblind Quelle: Peichl, L. (1990) Prinzipien der Bildverarbeitung in der Retina. Optometrie 3/90, Funktionsweise der Retina P- und M-System Ursprung: Zwei Populationen von Ganglienzellen (M- und P- oder alpha- und beta-ganglienzellen) An jeder Stelle der Netzhaut haben M-Ganglienzellen ein weiteres Dendritennetz als P-Ganglienzellen Die rezeptiven Felder der P-Ganglienzellen sind farbselektiv (Verknüpfung unterschiedlicher Zapfentypen mit den ON- und OFF-Bereichen P-Ganglienzellen zeigen die höchste Dichte in der Fovea und stellen mehr als drei Viertel aller Ganglienzellen M-Ganglienzellen sind nicht farbselektiv M-Ganglienzellen sind richtungsselektiv (Von welche Seite wird Lichtsignal in ON-Zentrum geführt?) Grundlage des Bewegungssehens