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

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

Das Weber-Fechner-Gesetz S = Objektive Reizstärke S 0 = Referenzreizstärke I = Wahrgenommene Reizstärke Gustav Theodor Fechner Ernst Heinrich Weber I S

log ,981 Konsequenz eines logarithmischen Sensorverhaltens

Neuronale Inhibitionsschaltung Interneuron

Laterale Inhibition in technischer Darstellung Inhibitionskoeffizient = 1/4

Laterale Inhibition in technischer Darstellung Inhibitionskoeffizient = 1/

Laterale Inhibition in technischer Darstellung Inhibitionskoeffizient = 1/

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

Amakrinzelle Horizontalzelle Ganglienzelle Bipolarzelle Stäbchen Zapfen Querverschaltung der Netzhaut

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

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

Hervorhebung eines Hell-Dunkel-Sprunges durch Inhibition Inhibitionskoeffizient = 1/4 Verstärkung = 2

Mach- Streifen

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

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

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

Gegenüberstellung

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

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

Optische Täuschungen als Grundlage zur Analyse der neuronalen Informationsverarbeitung

Szintilations- Täuschung

Scheinkontur

Der Necker-Würfel

Müller-Lyer-Täuschung

Ponzo-Täuschung

Poggendorff-Täuschung

Feld B ist genauso dunkelgrau wie Feld A

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

Triviales Modell: Entfernungsinvarianter Intensitätssensor

Invarianzeigenschaft: Größe, Rotation, Translation

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

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

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

Schichtung von Gestaltfiltern

Der Lohmann-Fensteroperator

= 1 = 2 Beispiel ( ) [] ( ) [ ] ()() [] ( ) [ ] () [] () [] () [] () [ ] () [] () []

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

Signalverarbeitung durch lokale Filter

Serielle Abarbeitung eines Fensteroperators

Entwurf eines Autofocus-Systems mit einer Inhibitionsschaltung

= 10 Maximalwert Regler M Zum System Biofocus unscharf scharf | D || D | | D || D || D || D |

= 10 = 0 Maximalwert Regler M Zum System Biofocus unscharf scharf | Inh | Inh Inh

Realisierung einer künstlichen Netzhaut Spektrum der Wissenschaft, Juli 1991

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

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

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

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

Ende