Vorlesung Christian Kaernbach Teil 1: Lernen Lernen und Gedächtnis Vorlesung Christian Kaernbach Teil 1: Lernen

„Automatisches“ Lernen Behaviorismus und die Folgen Der Mensch als Reiz-Reaktions-System Mentale Größen sind moderater Behaviorismus: nicht erfaßbar radikaler Behaviorismus: nicht existent Klassisches Konditionieren Instrumentelles Konditionieren Kritik am Behaviorismus Implizites Lernen Wahrnehmungslernen Handlungslernen

Klassisches Konditionieren unkonditionierter Stimulus (US) Pawlow: Fleisch z. B. Luftstrom gegen Hornhaut unkonditionierte Reaktion (UR) Pawlow: Speichelbildung hier: Lidschlag konditionierter Stimulus (CS) Pawlow: Klingel z. B. Ton konditionierte Reaktion (CR) CR  UR

Klassisches Konditionieren Die CR wird schnell gelernt. eine CS-US Koppelung kann ausreichen. Sie kann zwar „gelöscht“ werden, wiederholte Darbietung von CS ohne US. aber sie wird nie vergessen. bei weiterer CS-US Koppelung: Ersparnis ohne weitere CS-US Koppelung: spontane Erholung Kontext (Erneuerung) US o.ä. (Wiederherstellung) Relevanz: Stabilität der Phobie Gegenkonditionieren Clockwork Orange Stanley Kubrick / Anthony Burgess

Zeitverhältnisse CS US simultan verzögert rückwirkend CS US CS US

Zeitverhältnisse simultan verzögert rückwirkend 250 500 750 125 CS US simultan verzögert rückwirkend CS US CS US CR ist antizipatorische Reaktion auf den US

Paßfähigkeit von US und CS Experiment mit Ratten: US1: Stromschlag US2: Brechreiz CS1: Ton CS2: Süßstoff CS1+CS2+US1: CR nur bei CS1 CS1+CS2+US2: CR nur bei CS2 Ein Geschmacksreiz ist ein besserer Prädiktor für Brechreiz als ein Ton Ein externer Reiz ist ein besserer Prädiktor für Stromschlag als ein Geschmack

Neurophysiologie des klassischen Konditionierens us1 Mantelrand berühren us2 Siphon berühren ur schwacher Kiemenrückzug US Stromschlag Schwanz UR starker Kiemenrückzug CS1 Mantelrand berühren oder CS2 Siphon berühren paaren mit US Stromschlag Schwanz CR starker Kiemenrückzug selektiv auf CS1 oder CS2 (CS+ bzw. CS–) Hebb Lernregel (1949)

Klassische Konditionierung: Was wird gelernt? konditionierter „Reflex“? Reflex US  UR neue Verbindung CS  UR = neuer Reflex? CS  CR  UR! gelernt wird nicht CS  CR, sondern CS  US UR verhindern: CR wird trotzdem gelernt US entwerten (US: Futter bei hungrigen/satten Ratten) CS2 mit CS1 paaren, dann CS1 mit US: CR auf CS2

Klassische Konditionierung: Was wird gelernt? P(US|–CS) Informationswert des CS Hauptparameter: Kontiguität P(US|CS) Wahrscheinlichkeit, daß US auftritt, wenn CS gegeben wurde ebenfalls wichtig: Basisrate P(US|–CS) Wahrscheinlichkeit, daß US auftritt, wenn kein CS gegeben wurde Informationswert: Kontingenz P = P(US|CS) – P(US|–CS)

Klassische Konditionierung: Was wird gelernt? Informationswert des CS Hauptparameter: Kontiguität P(US|CS) Wahrscheinlichkeit, daß US auftritt, wenn CS gegeben wurde ebenfalls wichtig: Basisrate P(US|–CS) Wahrscheinlichkeit, daß US auftritt, wenn kein CS gegeben wurde Informationswert: Kontingenz P = P(US|CS) – P(US|–CS) Menschen 

Instrumentelles Konditionieren klassisches Konditionieren: respondentes Verhalten (Reaktion auf einen Reiz) instrumentelles Konditionieren: operantes Verhalten zur Herbeiführung einer Konsequenz benötigt: „Verstärker“ nach Konsequenz Reaktion positiv negativ geschieht positive Bestrafung Verstärkung entfällt Bestrafung negative Verstärkung

Instrumentelles Konditionieren benötigt: „Verstärker“ nach Konsequenz Reaktion positiv negativ geschieht positive Bestrafung Verstärkung entfällt Bestrafung negative Verstärkung Verstärker  (operationale Def.) ein Reiz, der die Auftretenswahrscheinlichkeit einer Reaktion erhöht (Skinner, 1938) Fortfall des Verstärkers = Löschung

Echogedächtnis bei Tieren Beispiel Echogedächtnis bei Tieren Wüstenrennmäuse (Kooperation mit Holger Schulze, Magdeburg) Naive Tiere (N=21, 4 pro Gruppe): shuttle box, go/no-go task Periodenlänge 20...100 ms 60 EV pro Tag Hochtrainierte Tiere (N=2), Periode wird bei guter Leistung verlängert: 160 Tage Training (9600 EV!) maximal 400 ms

Zeitverhältnisse, Paßfähigkeit CS-US Abstand am besten ca. 500 ms R-V Abstand am besten ca. 500 ms US und CS müssen paßfähig sein R und V müssen paßfähig sein instinctive drift (Breland & Breland)

Instrumentelles Lernen: Was wird gelernt? Kontingenzlernen kein neues Verhalten Wasserman et al. (1993): VPn drücken Taste. Manchmal geht dann das Licht an: P(O|R). Manchmal geht das Licht auch so an: P(O|–R). Kausalurteil: VPn-Urteile reflektieren die Größe von P(O|R) – P(O|–R)

Instrumentelles Lernen: Was wird gelernt? Kontingenzlernen kein neues Verhalten Wasserman et al. (1993): VPn drücken Taste. Manchmal geht dann das Licht an: P(O|R). Manchmal geht das Licht auch so an: P(O|–R). Kausalurteil: VPn-Urteile reflektieren die Größe von P(O|R) – P(O|–R)  Ratten

shaping, chaining Verstärken erst von Bewegungsansatz, dann peu à peu von weitergehender Bewegung. Separates Einlernen von Teilbewegungen, dann Verkettung verstärken. Dressur

Aberglauben Skinner (1948): Staddon & Simmelhag (1971) keine Kontingenz zwischen Reaktion und Verstärker: alle 15 s Futter Tauben lernen irrelevante Bewegungsmuster Staddon & Simmelhag (1971) Replikation von Skinner, aber gleichförmigeres Verhalten, antizipatorisch Brown & Jenkins (1968): “autoshaping” in zufälligen Intervallen wird Tastatur beleuchtet, dann kommt Futter Tauben picken auf Taste, als ob dadurch das Futter käme

Der Behaviorismus und die Pädagogik Give me a dozen healthy infants, well-formed, and my own specified world to bring them up in and I'll guarantee to take any one at random and train him to become any type of specialist I might select--doctor, lawyer, artist, merchant-chief and, yes, even beggar-man and thief, regardless of his talents, penchants, tendencies, abilities, vocations, and race of his ancestors. I am going beyond my facts and I admit it, but so have the advocates of the contrary and they have been doing it for many thousands of years. (Watson, Behaviorism, 1924, S.104) Denn wir können die Kinder nach unserem Sinne nicht formen; So wie Gott sie uns gab, so muß man sie haben und lieben, Sie erziehen aufs beste und jeglichen lassen gewähren. Denn der eine hat die, die anderen andere Gaben; Jeder braucht sie, und jeder ist doch nur auf eigene Weise Gut und glücklich. (Goethe, Hermann und Dorothea)

Instrumentelles Lernen aus Sicht der Betroffenen Ich habe ihn gut dressiert. Kaum drücke ich den Hebel herunter, kommt er gerannt und gibt mir eine Nuß.

Implizites Lernen findet beiläufig statt ohne Aufmerksamkeitszuwendung bleibt unbewußt

experimentelle Paradigmen Steuerung komplexer Systeme Erlernen von versteckten Kovarianzen Sequenzenlernen Erlernen einer finite state Grammatik

finite state Grammatik out X K P T S TXS PKPS TSSSXXTTTKPS TXSS

Unbewußtes Lernen Ist Wissen, daß in Paradigmen des impliziten Lernens demonstriert wird, wirklich unbewußt? Wie sensitiv ist der Test auf Bewußtheit verglichen mit dem Test der Fertigkeit? Sensitivität kaum vergleichbar multiple choice statt freier Bericht aber: Aha-Erlebnis bei Befragung vermeiden z. B. Wissensfragmente beim Grammatiklernen gute Abschätzung der Kausalstärke beim instr. Lernen Sind sich klassische konditionierte Ratten (Kontiguität + Basisrate) ihres Wissens „bewußt“? (mental map)

Wahrnehmungslernen Kückensortierer können männliche von weiblichen Kücken unterscheiden bessere Gesichtserkennung für die jeweils eigene Ethnizität Eltern können eineiige Zwillinge unterscheiden oft gesehen → besser unterscheidbar

Wahrnehmungslernen einfache Unterscheidungsaufgaben Tonhöhe (Lautstärke, ...) 1 kHz trainiert → 4 kHz nur etwas besser mit Aufgabe besseres Lernen, aber auch ohne Aufgabe Verbesserung mehr Kortex für diese Frequenz, spezifischere rezeptive Felder Verniergenauigkeit (Nonius) am Ende besser als ein rezeptives Feld auf der Retina generalisiert nicht auf andere Orientierung anderen Retina-Ort

Wahrnehmungslernen? McCollough-Effekt (McCollough, 1965) Adaptieren zu bestimmten Farb-Orientierungs-Kombinationen

Wahrnehmungslernen McCollough-Effekt „Adaptierung“ von Zellen im visuellen Kortex, die sowohl auf Farbe als auch auf Orientierung reagieren Unterschied zu klassischen Nachbildern: lange Persistenz (1 Tag, 1 Woche, 1 Jahr) kein klassisches Adaptieren im Sinne von Ermüden, Habituieren, etc. (das wäre kürzer) doch Lernen? Rekodierung? Reprogrammierung?

Wahrnehmungslernen? Prismenadaptation

Woher wissen wir, wo die Dinge sind, die wir sehen?

Wahrnehmung und Handlung Objekt Wahrnehmung Wahrnehmung als „Bild“ ؤ ت و ك ز ظ غ ن ه ى د ج Zeichentheorie Hermann von Helmholtz, 1879 Wahrnehmung Die Wahrnehmung dient dem Handeln James J. Gibson, 1979 Handlung Korrelationstheorien

Experimente mit Prismenbrillen Fresnelprismen Wahrnehmung Handlung www.prism-adaptation.de

Experimente mit Prismenbrillen ??? Handlung Wahrnehmung zentrale Repräsentation räumlichen Wissens ؤ ت و ك ز ظ غ ن ه ى د ج Handlung Wahrnehmung  Adaptation  Handlung Wahrnehmung ??? räumliches Wissen ist „verteilt“ Martin, T.A., et al. (1996). kein Transfer von Unterhandwürfen zu Oberhandwürfen Kitazawa et al. (1997): kein Transfer von schnellem zu langsamen Zeigebewegungen Verdacht: Die genaue Bewegungsausführung ist relevant.

Repräsentation räumlichen Wissens Augenmuskeln perceptual learning °  °  °  Kopfstellung Zentrale räumliche Repräsentation ?   Körperhaltung Stift: 45 cm vor mir, 5 cm rechts von der Mitte 40 cm unter der Nase   Propriozeption Greifbewegung   Propriozeption alternative Greifbewegung

Einfluß der Trajektorie Touch screen Horizontaler Balken als Kinnstütze dadurch pro Hand zwei Trajektorien 72 Teilnehmer, zufällig in vier Gruppen eingeteilt Zielposition zentral (Block 2&4) oder horizontal randomisiert (Block 1&3) Prismenbrille (Block 3) mit 16.7° horizontaler Verschiebung (Basis links) Block 1 „Eingewöhnung“ mit visuellem Feedback (Licht ist an), 20 Versuche (5 Wiederholungen  4 Trajektorien) Block 2 „Vortest“ ohne Feedback (Licht ist aus), 20 Versuche (54) Block 3 „Adaptation“ mit Prismenbrille, mit visuellem Feedback, 80 Versuche (801) nur eine Trajektorie wird geübt, 4 Gruppen Block 4 „Nachtest“ ohne Feedback, 20 Versuche (54)

Ergebnisse Passive Hand: Block 4 vs. Block 2 Block 4 minus Block 2 µ = 3 ± 1.8 mm µ = 1 ± 1.7 mm Dynamik Horizontalfehler [mm] Horizontalfehler [mm] µ = -46 ± 2.2 mm µ = -26 ± 2.3 mm Ungenauigkeit der passiven Hand hervorheben Horizontalfehler [mm] Horizontalfehler [mm] Durchgang PH Passive Hand ST Selbe Trajektorie AH Aktive Hand AT Andere Trajektorie

vertraute / unvertraute Bewegungen Ergebnisse Händigkeit über/unter vertraute / unvertraute Bewegungen non-pref Dynamik Horizontalfehler [mm] Horizontalfehler [mm] Horizontalfehler [mm] Durchgang Durchgang Durchgang PH Passive Hand ST Selbe Trajektorie AH Aktive Hand AT Andere Trajektorie

ein erstes Fazit kein Transfer zur passiven Hand nur ca. 50% Transfer zur jeweils anderen Trajektorie der aktiven Hand „passiver“ Zerfall der Adaptation ungewohnte Bewegungen werden leichter adaptiert Adaptation ist keine Rekalibrierung der visuellen Wahrnehmung sonst hätte man 100% Transfer auf passive Hand erwarten müssen und keine vollständige Rekalibrierung der Propriozeption sonst hätte man 100% Transfer auf andere Trajektorie der aktiven Hand erwarten müssen. Umlernen von Motor Skripts ? Einwand: gleiche Startposition, aber leicht verschiedene Endposition, Endposition der anderen Trajektorie wurde nicht adaptiert.

Weitere Experimente Abhängigkeit von der Startposition Kreisbewegungen einschieben

Weitere Experimente mit/ohne Gewichtsarmband Vertikale Generalisierung

Weitere Experimente Dynamik der Adaptation in Block 3 abwechselnd mit/ohne Feedback / Terminales Feedback

ein zweites Fazit Adaptation überträgt sich nicht auf die passive Hand, und nicht vollständig auf andere Trajektorien der aktiven Hand, auch bei gleichen Start- und Endpunkten. Adaptation von Zeigebewegungen geschieht vermutlich hauptsächlich durch Umlernen von Motor Skripts. Handlungslernen Es gibt keine zentrale Repräsentation räumlichen Handlungswissens. Räumliches Handlungswissen ist verteilt. Knowing where is knowing how to. Aber was ist mit unserer phänomenalen Erfahrung? Diese scheint nicht notwendig für stimulusgetriebene Handlungen (Zeigen, Greifen) blindsight Patient fängt Ball Stratton (1897) fährt Fahrrad mit Umkehrbrille obwohl er die Welt noch auf dem Kopf stehen sieht. Wozu ist phänomenale Erfahrung dann gut? ein spätes Produkt der Evolution, das es uns ermöglicht, alternative Handlungsschemas durchzuspielen. Tolman, E.C. (1948). Cognitive maps in rats and men. Psychological Review, 55, 189-208.

Millionenquiz Bitte sortieren Sie die folgenden Städte von West nach Ost (links nach rechts) Mailand Neapel Rom Venedig

Millionenquiz Bitte sortieren Sie die folgenden Städte von West nach Ost (links nach rechts) Mailand: 9° 11' Venedig: 12° 19' Rom: 12° 29' Neapel: 14° 15'

Zwei Repräsentationen räumlichen Wissens: ein zweites Fazit Illusion: Räumliches Wissen ist bewußt, einheitlich, zentral, genau, und dient Greifhandlungen, genauso wie Planung Zwei Repräsentationen räumlichen Wissens: I II unbewußt bewußt verteilt einheitlich, zentral genau verzerrt stimulusgetriebene Planung Handlungen

Dissoziation von Handeln und Wahrnehmung Handeln und Erleben Ebbinghaus-Illusion Müller-Lyer-Täuschung ... Wahrnehmung wird getäuscht Greifhandlung erfolgt präzise (Befunde nicht unstrittig)

Das sensomotorische Kontrollsystem ZNS motorischer Plan motorisches System Feedforward Controller Plankopie + – Sensorik Feedback Controller Fehlersignal

Interne Modelle ZNS + – „inverses Modell“ motorischer Plan Feedforward Controller motorisches System Efferenzkopie Vorwärtsmodell (erwartete Sensorik) + – Feedback Controller Fehlersignal Sensorik (Reafferenz)

Literatur zur Handlungssteuerung: Müsseler/Prinz, Allgemeine Ps. Kapitel 6b-3: Neuronale Repräsentationen von Bewegung Kortex primärer motorischer Kortex, M1 (somatotopisch) Assoziationskortex Basalganglien Kleinhirn Kapitel 6c-3: Motorische Wahrnehmungstheorien u.a.: Biologische Bewegungen (biological motion) nicht lesen: Kapitel 6c-4, Gemeinsame Repräsentationen für Wahrnehmung und Handlung Kapitel 6c-5: Dissoziationen zwischen Wahrnehmung und Handlung hervorzuheben: Abschnitt 6c-5.4: Das Modell von Goodale und Millner

Literatur zur Handlungssteuerung: Müsseler, Allgemeine Psychologie (2008) Kapitel VI 17-3: Neuronale Repräsentationen von Bewegung Kapitel VI 18-3: Motorische Wahrnehmungstheorien nicht lesen: Kapitel VI 18-4, Gemeinsame Repräsentationen für Wahrnehmung und Handlung Kapitel VI 18-5: Dissoziationen zwischen Wahrnehmung und Handlung hervorzuheben: Abschnitt 18-5.4: Das Modell von Goodale und Millner