VL 1: Neuronale/physiologische Grunglagen

Question 1

Was sind die drei Determinanten der Wahrnehmung?

Answer 1

1. Reizinformationen aus der Umwelt: Frage nach den Reizinformationen
2. Aktivität des Nervensystems: Frage nach den physiologischen Grundlagen
3. Vorwissen: Frage nach den kognitiven Einflüssen

Einfluss dieser drei Determinanten führt zu Wahrnehmung

Question 2

Was sind Rezeptoren? Welche Rezeptoren gibt es?

Answer 2

Transformation von Energie aus der Umgebung in elektrische Energie (Transduktion)

• visuelle Rezeptoren: lichtempfindliche Pigmente
• Berührungsrezeptoren: mechanische Verformung
• Akustische Rezeptoren: Verbiegung
• Geruchs- und Geschmacksrezeptoren: Chemische Reize

Question 3

Visuelle Rezeptoren

Answer 3

Innensegment:
- ins Innere des Auges gerichtet
-hier erste Signalübertragung, wenn Rezeptor aktiviert wird

Außensegment:
- beinhaltet ca. 800 Scheibchenmembranen die Sehpigmente enthalten
- beinhalten Opsin und Retinal (Retinal: lichtempfindliches Molekül; Bindestelle des Lichts)(Opsin: eigentlich hunderte Male so lang wie Retinal)

Question 4

Was ist Isomerization?

Answer 4

Retinal verändert seine Form von gebogen zu gerade.

Daraus folgt eine chemische Kettenreaktion -> aktiviert den Rezeptor

Question 5

Was sind Retinal und Opsin?

Answer 5

• befinden sich im Außensegment der visuellen Rezeptoren
• Retinal: lichtempfindliches Molekül; Bindestelle des Lichts
• Opsin: eigentlich hunderte Male so lang wie Retinal

Question 6

Was sind Nerven? Funktion des Thalamus und der kortikalen Projektionsareale?

Answer 6

• Bündel von Neuronen, z.B. 1 Mio. Fasern im optischen Nerv Rückenmark
• Thalamus: Schaltstation für Sinnesreize
• Kortikale Proektionsareale:
  TOP
  Temporal -> Ton
  Okzipital -> Optik
  Parietal -> Pressen/Berühren

Question 7

Hauptbestandteile und Funktion von Neuronen?

Answer 7

• Aufbau: Zellkörper, Axon, Synapse, Transmitter
• Funktion: Signalübertragung

Question 8

Nervensystem - Weiterleitung eines elektrischen Signals

Answer 8

Grundprinzip: Veränderung der Permeabilität der Membran für Natrium- und Kaliumionen

• innerhalb des Neurons: Informationen über Axon als elektrisches Signalweitergeleitet
• Ruhezustand: Spannungsunterschied von ca. -70mV (-> Ruhepotential)
• Bei Nervenimpuls: Aktionspotential entsteht; Ionenkanäle an einer Stelle des Axons öffnen -> Einstrom von Na+
• Depolarisation
• Wenn Spannungsunterschied bei +40mV: Na-Kanäle schließen; Kalium-Kanäle öffnen -> K+ strömen aus
• Ruhepotential wieder hergestellt (Repolarisation)
• Schließlich: Refraktärzeit
  -Ausbreitungsgeschwindigkeit: 0,5- 130m pro Sek.

Antwort einer Nervenfaser:
- Feuerrate des Neurons: Stärke des Signals
- Obergrenze 500-800 Impulse pro Sek. (Durch Refraktärzeit von ca. 1 ms)
- Spontanaktivität von Neuronen (s. vor und anch Reizbaseline): Feuern in Abwesenheit von Stimulation

Question 9

Synaptische Übertragung (Schlüssel-Schloss-Prinzip)

Answer 9

• elektrisches Signal erreicht Synapse -> löst chemischen Prozess aus -> löst elektrisches Signal in postsynaptischem Neuron
• Synaptische Vesikel schütten Neurotransmitter in synaptischen Spalt aus -> Neurotransmittermoleküle docken an Rezeptoren der Postsynapse an -> Aktivierung der Rezeptoren -> Änderung der Spannung im Neuron -> Schlüssel-Schloss-Prinzip

Question 10

Synaptishce Übertragung - Erregung und Hemmung

Answer 10

• Welche Art der Spannungsänderung ausgelöst wird, hängt vom Neurotransmitter und von der Rezeptorzone ab
• Zwei Arten von Signalen und Rezeptoren möglich: exitatorisch und inhibitorisch

Exitatorisch:
- empfangendes Neuron wird positiver geladen
-> Depolarisation; wenn Schwellenwert erreicht: Ausläsung Aktionspotential

Inhibitorisch:
- empfangendes Neuron wird negativer
-> **Hyperpolarisation; Spannung im Neuron entfernt sich vom Schwellenwert, der für Aktionspotential nötig ist

Typisches Neuron enthält exitatorische und ingibitorische Signale
-> Zusammenspiel dieser Prozesse beeinflusst, ob Feuerrate des Neurons hoch oder runter geht

Question 11

Reizintensität, Amplitude und Frequenz

Answer 11

Veränderte Intensität beeinflusst Frequenz, nicht Amplitude

Question 12

Aufbau des Auges

Answer 12

• auf Netzhaut (Retina) Rezeptoren für Licht
• Hornhaut (Cornea) und Linse brechen das Licht
  -> dadurch kommt es auf der Netzhaut (Retina) zu einer Abbildung des Objekts, das das Licht reflektiert hat
• Fovea: Bereich des schärfsten Sehens
• unter Fovea: Sehnerv
• Aufbau Retina und Sehnerv: Nervenfasern des Sehnervs -> Rezeptoren (Stäbchen und Zapfen), Pigmentepithel, Rückseite des Auges

Question 13

Wahrnehmung eines Baumes

Answer 13

Lichtenergie -> Auge -> über Sehnerv zu primärem visuellen Kortex (Streifenfeld) -> in den Thalamus (spezifisch: Corpus geniculatum laterale)

Question 14

Laterale Inhibition

Answer 14

Inhibition der Helligkeitswahrnehmung

• Je mehr Licht auf einen Rezeptor -> höhere Feuerungsrate
• Feuerungsrate: Signal für Intensität eines Lichtreizes
• exitatorische Weiterleitung des Signals an Bipolarzellen
• gleichzeitig: Feuerungsrate de rBipolarzellen über inhibitorischen Input benachbarter Bipolarzellen gesenkt
• wenn mehr Licht auf Rezeptor fällt -> er gibt stärkeres Signal weiter
• Bipolarzellen geben Bruchteil der Signalstärke inhibitorisch an benachbarte Bipolarzellen weiter
• Feuerungsrate der Bipolarzellen: Summe des exzitatorischen Inputs durch Rezeptor und inhibitorischen Inputs durch benachbarte Bipolarzellen

-> aktiviertes Neuron hemmt die Aktivation benachbarter/lateraler Neurone

Horizontal- und Amacrinzellen übertragen/verteilen Signale über die menschliche Retina, so dass benachbarte aktivierte Rezeptoren gegenseitig ihre Signale beeinflussen -> laterale Inhibition

Question 15

Welche Phänomene lassen sich mit der lateralen Inhibition erklären und welche nicht? Fazit?

Answer 15

Es lassen sich erklären:
- Machschen Bänder
- Simultankontrast
- Hermann-Gitter (Erklärung am Ende)

Es lassen sich licht erklären:
- White-Täuschung

-> auch höhere Neuronale Verarbeitungsprozesse sind wohl an der Helligkeitswahrnehmung beteilugt, möglicherweise im Sinne eines “Prinzipsder Zugehörigkeit”, nach dem das Aussehen eine Fläche von den Teilen der Umgebung beeinflusst wird, zu denen die Fläche zu gehören scheint

-> Fazit: Bereits auf so einer basalen Verarbeitungsstufe zeigt sich, dass Wahrnehmung mehr ist als nur die Umsetzung physikalischer Reizinformation in physiologische Reaktionen

Erklärung Hermann-Gitter:
- ein Rezeptor befindet sich am Kreuzpunkt von zwei Korridoren
- benachbarte Rezeptoren innerhalb der Korridore
- jeder Rezeptor sendet sein Signale an eine Bipolarzelle; jede Bipolarzelle sendet laterale Inhibition an die Bipolarzelle vom Rezeptor am Kreuzpunkt
- Bipolarzelle vom Rezeptor am Kreuzpunkt wird durch Bipolarzellen aus den Korridoren stark gehemmt
- Bipolarzelle von Rezeptor in Korridor nicht so stark gehemmt, weil Rezeptoren links/rechts nicht so stark beleuchtet (weil unter schwarzem Quadrat)

Question 16

Prinzip der Zugehörigkeit

Answer 16

• beeinflusst die Wahrnehmung: Umgebung, die zu eienr Fläche zu gehören scheint, beeinflusst wie wir sie wahrnehmen

Question 17

Aufbau der Retina

Answer 17

Bipolarzellen, Horizontalzellen und Amakrinzellen stellen die Verbindung zwischen Photorezeptoren und retinalen Ganglienzellen dar.
Alle drein Neuronentypen bilden ein Netzwerk, durch das jede Ganglienzelle auch Informationen aus weit entfernten Bereichen der Retina erhält.
- ganz hinten: Außensegment, Innensegment (beinhaltet Zapfen und Stäbchen -> Rezeptorzellen)
- dann Horizontalzellen, Bipolarzellen, Amakrinzellen
- Ganglienzellen -> Nervenfasern des Sehnervs
- Licht geht vorbei an allen anderen Zellen und geht zuerst zuRezeptoren; danach weiterleitung wieder zurück Richtung Sehnerv

**Die Informationsübertragung muss dabei nicht 1 zu 1 erfolgen, in dem Sinne dass die im Gehirn ankommenden Feuerungsraten den Feuerungsraten in den Rezeptoren entsprechen würden, weil…
1. Neuronale Verknüpfung sowohl exitatorisch als auch inhibitorisch sein kann
2. Neuronale Konvergenz bestehen kann

• Horizontal- und Amacrinzellen übertragen/verteilen Signale über die menschliche Retina, so dass benachbarte aktivierte Rezeptoren gegenseitig ihre Signale beeinflussen -> laterale Inhibition
• Weiter verarbeitet wird nicht mehr das Signal eines einzelnen Stäbchens oder Zapfen, sondern das Signal einer Ganglionzelle, die Informationen mehrerer Rezeptoren einsammelt -> rezeptives Feld

Question 18

Rezeptive Felder? Neuronaler Schaltkreis?

Answer 18

Rezeptives Feld eines den Rezeptoren anchgeschalteten Neurons (z.B. einer Ganglienzelle): das Gebiet an Rezeptoren (die Region auf der Retina), durch die bei Stimulation die Feuerungsrate des Neurons beeinflusst wird.
Einem Rezeptiven Feld liegt ein neuronaler Schaltkreis zugrunde. Ein neuronaler Schaltkreis besitzt eine spezifische Struktur, die durch Menge und Art von Konvergenzen und die Verteilung exitatorischer und inhibitorischer Verknüpfungen bestimmt wird.

Question 19

Rezeptive Felder - Konvergenz

Answer 19

2 oder mehr Neuronen haben Synapsen mit nur einem Neuron (Verhältnis Rezeptoren:Ganglionzellen = 126:1)
- Bsp.: 3 Rezeptoren konvergieren auf dasselbe Neuron. Der mittlere Rezeptor ist exitatorisch, die beinen äußeren sind inhibitorisch verknüpft.

Hohe Auflösung -> kleines rezeptives Feld

Lichtsensitivität -> großes rezeptives Feld

Question 20

Wirkung von An/Aus-Feldern

Answer 20

• Erregung -> An-Reaktion: Feuerungsrate steigt bei Reizpräsentation
• Hemmung -> Off-Response: Impulsrate sinkt bei Stimulusrepräsentation
• Antagonismen (center-surround receptive fields): An-Aus-Felder; An-An-Felder (Wirkunf von Zentrum und Peripherie gegensätzlich)

-> Rezeptives Feld eines Neurons ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Erregungsmuster von Rezeptoren existiert, das mit maximaler Feuerungsrate assoziiert ist und ein Erregungsmuster, das mit minimaler feuerungsrate assoziiert ist. Außerdem existieren eine Menge von Erregungmustern, die mit einer dazwischen liegenden Feuerungsrate assoziiert sind.

Question 21

Einfache kortikale Zelle

Answer 21

-Reaktionen der Neuronen werden spezialisierter auf dem Wege zum Cortex
- u.a. für Orientierung (Es konnten Neurone identifiziert werden, die bei einem Balken bestimmter Ausrichtung an einem spezifischen Ort der Retina maximal feuerten)
- Tuning-Kurve (für Zellen im visuellen Kortex): Funktion, die die Impulsrate einer Zelle mit der Orientierung eines Stimulus in Verbindung setzt.

Question 22

Mit welchen Methoden lassen sich Informationen über Funktionsweise des Gehirns einholen?

Answer 22

EEG (Elektroenzephalografie): Messung der summierten elektrischen Aktivität des Gehirns durch Aufzeichnung der Spannungsschwankungen an der Kopfoberfläche. Das EEG ist die graphische Darstellung dieser Schwankungen.

fMRI (funktionelle Magnetresonanztomographie): bildgebendes Verfahren, physiologische Funktionen im Inneren des Körpers mit der Methode des MRI dazustellen. fMRT im engeren Sinne: verschiedene aktivierte Hirnareale mit hoher räumlicher Auflösung darstellen

Question 23

TOP Merkregel für primäre Kortexareale

Answer 23

• Temporal für Töne (Tones) (primärer auditprischer Kortex im Temporallappen)
• Okzipital für Optik (Objects) (primärer visueller Kortex im Okzipitallappen)
• Parietal für Pressen/Berührung (Pressure) (primärer somatosensorischer Cortex im Parietallappen)

Question 24

Reizkodierung - Wie können wir zwischen verschiedenen Modalitäten unterscheiden?

Answer 24

1. Doktrin der spezifischen Sinnesenergie (Müller,1842)
2. Spezifische Lokalisation im Gehirn (aber die Neurone funktionieren gleich) = bessere Erklärung (-> siehe TOP-Merkregel)

Question 25

Was sind die Annahmen der Spezifitätstheorie?

Answer 25

Spezifitätstheorie: spezifische Neurone reagieren auf spezifische Merkmale. Einzelne Neuronen kodieren die Eigenschaften von Reizen.

Kodierung kann auf zwei Ebenen erfolgen:
1. spezifische Rezeptoren
2. Spezifische Neuronen durch neuronale Verarbeitung, z.B. Konvergenz

Reflektiert das auch wirklich Wahrnehmung? -> selektive Adaptation spricht dafür: vergleichbare Abnahme der Kontrastsensitivität des Beobachters und der Impuls der entsprechenden Neuronen -> Wahrnehmung und Impuls nehmen ab

Question 26

Argumente gegen die Spezifitätstheorie

Answer 26

1. es würden zu viele gebraucht (z.B. für Farbe auf der Retina)
2. Neuronen antworten auf eine Reihe von Stimuliund werden von der Intensität beeinflusst
3. Bei Intensitätswechsel könnte ein Qualitätswechsel folgen

Question 27

Neuronen-Muster-Theorie

Answer 27

Im Allgemeinen wird heute davon ausgegangen, dass diese Repräsentation eine Kombination der Feuerungsrate mehrerer Kortexneuronen darstellt (Ensemblekodierung). Demnach würde ein Reiz nicht durch das Feuern eines bestimmten Neurons (Einzelkodierung/Spezifitätstheorie) repräsentiert, sondern durch die Feuerungsraten einer Menge von Neuronen.

• verschiedene Qualitäten werden durch das Muster der Aktivität in mehreren Nerven signalisiert
• Stimulus-Intensität ändert das Muster wenig
• Beispiele: Farbensehen, Geschmack (2 Substanzen mit ähnlichem Neuronen-Muster schmecken gleichartig)
  -> parallel verteilte Aktivität

Question 28

Was spricht für/gegen die Spezifitätstheorie?

Answer 28

Dafür:
1. Neurone für Orientierung (Hubel & Wiesel); Tuning-Kurve
2. “Großmutter-Zellen” für abtrakte Konzepte (im Hippocampus)
3. Bereiche im Temporallappen, die sich auf Kategorien spezialisiert haben (durch Benennaufgaben von Bildern entdeckt): natürlich vs artifiziell -> es gibt Neuronenverbände die sich z.B. auf Personen, Werkzeuge oder Tiere spezifiziert haben

Allgemein gibt es Evidenz für die Spezifitätstheorie, dennoch ist es komplexer als sie es vorhersagt, denn man weiß nicht nach welchen Merkmalen die Neuronen feuern (denn es kann sein, dass ein Neuron einmal bei ähnlichen Bildern feuert und einmal nicht)