Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Biosensorik / Bionik II Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung.

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1 Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Biosensorik / Bionik II Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

2 Durch die logarithmische Adaptation kann das menschliche Auge Sinneseindrücke zwischen Dämmerung und hellem Sonnenschein von bis zu 12 Zehnerpotenzen an physikalischer Leuchtdichte überbrücken. Ein freiäugig gerade noch sichtbarer Stern 6. Größe ist gegenüber der Sonne um 31 Größenklassen oder 12¼ Zehnerpotenzen schwächer. Beim Temperatursinn hingegen nimmt die Reaktion der Thermorezeptoren annähernd linear zur Reizgröße zu. Denn hier ist weniger die "Messung" der Temperatur wichtig, als vielmehr eine Warnung vor Verbrennung oder vor Erfrieren. Zur Empfindlichkeitskennlinie biologischer Sensoren Sonne Stern

3 Das Weber-Fechner-Gesetz S = Objektive Reizstärke S 0 = Referenzreizstärke I = Wahrgenommene Reizstärke Gustav Theodor Fechner 1801 -1887 Ernst Heinrich Weber 1801 1795 - 1878 I S

4 8 3 8 3 800 300 800 300 log 5 500 0,981 Konsequenz eines logarithmischen Sensorverhaltens

5 Neuronale Inhibitionsschaltung Interneuron

6 4 4 4 8 8 8 2 2 1 5 4 4 4 4210 8 8 2 Laterale Inhibition in technischer Darstellung Inhibitionskoeffizient = 1/4

7 0 0 -2 2 0 0 Laterale Inhibition in technischer Darstellung Inhibitionskoeffizient = 1/2 4 4 4 8 8 8

8 0 0 -200 200 0 0 Laterale Inhibition in technischer Darstellung Inhibitionskoeffizient = 1/2 400 800

9 4 4 4 888 400 800 log 5,991 6,685 1,386 2,079 Inhibition mit logarithmischer Sensor-Kennlinie 0 0 0 0 - 0,347 0,347 0 0 0 0 - 0,347 0,347 Inhibitionskoeffizient = 1/2

10 Amakrinzelle Horizontalzelle Ganglienzelle Bipolarzelle Stäbchen Zapfen Querverschaltung der Netzhaut

11 Zentrum OFF-Bipolare ON-Bipolare OFF- Ganglienzelle ON- Ganglienzelle Zapfen Licht Elementare Sehzellenverschaltung – ON / OFF-Antworten

12 Peripherie Zentrum OFF-Bipolare ON-Bipolare OFF- Ganglienzelle ON- Ganglienzelle Zapfen Licht Horizontalzelle

13 44484 4 4 4 4 4 4 444 444 444 444 444 444 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 4444 444 10 2 2 2 2 2 2 2 444 444 444 444 444 444 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 4442 Hervorhebung eines Hell-Dunkel-Sprunges durch Inhibition Inhibitionskoeffizient = 1/4 Verstärkung = 2

14 Mach- Streifen

15 Sehtafel U H N Z E R I L O Z N R P V W Z S T U P N E R F M A D E U V H Z L R P W Z U N V E R O P G H N U P Z R E S F N E Z R H M P L S Z N R P V M U A E E F H W L I A O U

16 e -Ebene a -Ebene Zweidimensionale e- a -Verknüpfung

17 Vertikale und horizontale Inhibitionsoperation Originale Helligkeitsverteilung Hinter dem Inhibitionsfilter Verstärkung um den Faktor 2 (Inhibitionskoeffizient = 1/ 8)

18 Gegenüberstellung 88888816 888888 888888 888888 888888 888888

19 H ERMANN sche Kontrasttäuschung Hermann, L. (1870) Eine Erscheinung simultanen Contrastes. Pflügers Archiv für die gesamte Physiologie 3, 13-15

20 Mathematische Interpretation des Fensterkreuzoperators 1 3 0 4 2 Dieser Operator ist das digitale Analogon zum Laplace-Operator: diskretisiert f1f1 f0f0 f2f2 h h f3f3 f0f0 f4f4 x, y

21 Optische Täuschungen als Grundlage zur Analyse der neuronalen Informationsverarbeitung

22 Szintilations- Täuschung

23 Scheinkontur

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25 Der Necker-Würfel

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27 Müller-Lyer-Täuschung

28 Ponzo-Täuschung

29 Poggendorff-Täuschung

30 Feld B ist genauso dunkelgrau wie Feld A

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32

33 Entwurf eines größen-, dreh- und verschiebungsinvarianten Zeichenerkennungssystems mit einer Inhibitionsschaltung

34 Triviales Modell: Entfernungsinvarianter Intensitätssensor

35 Invarianzeigenschaft: Größe, Rotation, Translation

36 Kompaktheit K als größen- rotations- und translationsinvariante Eigenschaft geometrischer Figuren: Fläche Umfang K = r = Radius des Kreises s = Seite des gleichschenkligen Dreiecks a = Seitenlänge des Quadrats a = Seitenlänge der Quadrate

37 Originale Helligkeitsverteilung Hinter dem Inhibitionsfilter (Verstärkung = 8/3, Inh. Koeff = 1/8 Soll für Umfangsmessung Vertikale, horizontale und diagonale Inhibitionsoperation

38 K 0,282 0,250 0,219 0,177 Biologisch inspirierte Zeichenerkennungs-Schaltung

39 Schichtung von Gestaltfiltern

40 Der Lohmann-Fensteroperator

41 = 1 = 2 Beispiel ( ) [] 2 1 121 2 1 ( ) [ ] 2 1 121 2 1 ()() [] 011111 21 2 1 ( ) [ ] 011 2 1 () [] 1 2 1 2 1 () [] 2 1 12 1 2 1 () [] 0 1 1 2 1 () [ ] 1 21 2 1 () [] 2 1 11121 2 1 () [] 01121 2 1

42 Besonderheit des Lohmann-Fensteroperators Der Operator zählt Figuren innerhalb von Figuren negativ +1 Fig. 0 Fig. -1 Fig. +1 Fig.

43 Signalverarbeitung durch lokale Filter

44 Serielle Abarbeitung eines Fensteroperators

45 Entwurf eines Autofocus-Systems mit einer Inhibitionsschaltung

46 0 8 6 4 2 10 = 10 Maximalwert Regler M 0 4 2 10 8 6 0 4 2 8 6 0 0 0 Zum System Biofocus unscharf scharf | D || D | | D || D || D || D |

47 0 8 6 4 2 10 = 10 = 0 Maximalwert Regler M 0 4 2 10 8 6 0 4 2 8 6 0 0 0 Zum System Biofocus unscharf scharf | Inh | 2 10 2 2 2 0 2 2 0 2 0 2 0 00Inh 2 10 2 6 2 8 2 4 2 6 2 2 2 4 2 0 8642Inh

48 Realisierung einer künstlichen Netzhaut Spektrum der Wissenschaft, Juli 1991

49 Schematischer Aufbau der Riechschleimhaut Aus Schmidt, Thews, Lang: Physiologie des Menschen Laterale Inhibition durch periglomeruläre Zellen und Körnerzellen

50 Riechen ist dem Sehen nahe Die periglomerulären Zellen entsprechen den Horizon- talzellen und die Körnerzellen den Amakrinzellen in der Netzhaut Die laterale Inhibition in der Riechschleimhaut erhöht den molekularen Kontrast und damit die Unterscheid- barkeit von Düften Horizontalzellen Amakrinzellen

51 Mikro-Anatomie des Kleinhirns (Cerebellum) Laterale Inhibition der Purkinje-Zellen Stern-Z. Korb-Z. Purkinje-Z. Parallelfasern Kontrast verstärkende Interneuronen Körner-Z. Golgi-Z. Kletterfasern Moosfasern

52 Inhibitionsschaltung in der Biologie 1. Photorezeptoren in der Netzhaut 2. Tastsinneszellen der Hautoberfläche 3. Haarzellen in der Cochlea 5. Purkinje-Zellen im Kleinhirn (Korb- und Sternzellen) 4. Riechfasern im Bulbus olfactorius

53 Ende