139 research outputs found

    Informationsverarbeitung in Lebewesen. Neuronale Netze, Sensorik, Motorik. Seminar am Lehrstuhl fĂĽr Intelligente Sensor-Aktor-Systeme (Prof. Dr.-Ing. U.D. Hanebeck) SS 2003 [online]

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    Dieses Buch ist aus dem Seminar Informationsverarbeitung in Lebewesen entstanden, welches im Sommersemester 2003 am Institut für Rechnerentwurf und Fehlertoleranz der Universität Karlsruhe stattgefunden hat. Ziel des Seminars war es zu untersuchen, warum die Leistung technischer Systeme den biologischen nur in sehr speziellen Fällen überlegen ist und inwieweit die biologischen Systeme derzeit überhaupt verstanden werden. Die Forschung in diesem Gebiet hat in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht. Sie wird motiviert durch Modellierungswünsche in der Medizin, als Ideengeber für technische Systeme (Bionik), und aus dem Wunsch heraus, eines Tages zu verstehen wie Bewusstsein funktioniert. Die Informatik ist in diesem Gebiet besonders gefordert, da sie die technischen Grundlagen bereitstellt, um biologische Systeme in ihren Grundzügen modellieren und in technischen Systemen umsetzen zu können. Entsprechend wurden die Schwerpunkte im Seminar auf folgende Gebiete gelegt: Neuronale Netze Beispiel zur Modellierung eines Sinnesorgans: Das menschliche Ohr Sensorik von Lebewesen Biologisch motivierte Robote

    Evolving autonomous locomotion of virtual characters in a simulated physical environment via neural networks and evolutionary strategies

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    The animation of virtual characters is a process that although supported by various software and hardware can be tedious and costly especially when the character to animate is very complicated and/or detailed. The method presented in this thesis tries to automatize or to support this process by letting the character "learn" its movements autonomously. This is established by first modelling physical properties (e.g. mass, inertia moments, joints, degrees of freedom) additionally to the optical ones to allow the interaction of the character with a simulated physical environment. In the second step the sensors (e.g. pressure, forces, angles, speed) and actors (e.g. motors, "muscles", suspension elements) that the character uses are defined. Third the sensors and actors are connected with the inputs and outputs of a neural network whose bias values and link weights are still uninitialized. These values are then modified by evolutionary strategies to find naturally looking movements of the character in its physical environment

    Entwicklung eines impulskodierenden neuronalen Netzes fuer die Segmentierung bewegter Szenen

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    Kodierung von Bewegungsmustern im menschlichen Gehirn - Untersuchungen mittels funktioneller Magnetresonanztomographie

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    Das Ziel dieser Arbeit war die Identifizierung kortikaler motorischer Areale mittels funktioneller MRT während der rechts-, links- und beidhändigen Ausführung der Unterschrift als Beispiel für eine hoch überlernte motorische Funktion. Dies wurde an Rechts- wie auch an Linkshändern unter verschiedenen Bedinungen und nach motorischem Training untersucht. Ebenso wurde versucht, die aktivierten Areale bei der bloßen Vorstellung der Ausführung einer motorischen Aufgabe darzustellen. Wir führten die Untersuchungen im Rahmen von 6 Einzelstudien an insgesamt 47 Probanden (10 Linkshänder, 37 Rechtshänder) durch. Die Daten wurden mittels der fMRT erhoben und mit Hilfe des Statistikprogramms SPM 96 ausgewertet. Aus den vorliegenden Ergebissen lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen (Schlussfolgerung I. - V. bezieht sich auf Rechtshänder, VI. auf Linkshänder): I. Die Kodierung von Bewegungsschemata involviert prä-SMA, rostalen und kaudalen Anteil des dorsolateralen prämotorischen und parietalen Kortex vorwiegend in der dominanten Hemisphäre. II. Die linke Hand hat Zugriff auf diese Bewegungsmuster in der ipsilateralen Hemisphäre. III. Linkshändiges Training induziert eine Enkodierung von Schemata im prämotorischen und parietalen Kortex aus der dominaten in die nichtdominate Hemisphäre. IV. Die dominante prä-SMA ist vermutlich verantwortlich für die Transformation einer spiegelbildlichen in eine parallele Bewegung. Der dorsolaterale prämotorische Kortex ist stärker in die Kontrolle einer bimanuellen, symmetrischen Bewegung involviert. V. Die "Callosal access" Theorie erklärt den Tranfer von motorischen Fähigkeiten der einen Hand mittels transkallosaler Übermittlung zur untrainierten Hand. Diese motorischen Fähigkeiten sind entweder in der dominanten oder in der zur trainierten Hand kontralateralen Hemisphäre repräsentiert. VI. Bei Linkshändern ist die kortikale Kontrolle bilateral organisiert

    Wie entsteht Bedeutung in der präverbalen Entwicklungsphase des Kleinkindes? Analyse kognitions- und neurowissenschaftlicher Erkenntnisse zur Bildung einer Theorie der Bedeutungsentwicklung

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    Die Arbeit stellt heraus, dass Bedeutung der „biologische“ Wert (Damasio 2011) allen Lebens ist. Ohne Interpretation der umgebenden Umwelt ist kein Lebewesen lebensfähig. In der präverbalen Entwicklung des Kindes schlägt das „emotionale Signalisieren“ (Greenspan/Shanker 2007) die Brücke zum „kulturellen Wert“, ohne den keine Entwicklung stattfinden würde. Bedeutung entsteht demnach nur in der sozialen Bezogenheit, in der dem Kind die emotionale Kontextgebundenheit Handlungsbedeutungen eröffnet und differenziert. Bedeutungen verändern sich im Handeln zu immer differenzierteren Strukturen, anhand derer sich der Entwicklungsprozess als ein Evolutionsprozess soziokultureller Menschwerdung von einfachen zu komplexeren Formen entfaltet. Aus diesem Grund ist es wichtig, gerade in der frühen Kindheit die Entstehung von Bedeutung nicht von der sprachlichen Entwicklung abzuleiten, sondern die kontextbezogenen Handlungsprozesse von Beginn an zu untersuchen. Die Bearbeitung der Fragestellung trägt dazu bei, kindliche Selbstbildung, besonders in den ersten Jahren, differenzierter zu beschreiben, um zu verstehen, warum Kinder das eine oder andere tun, für jenes Begeisterung zeigen und anderes dafür lassen. Die Arbeit eröffnet einen Blick für eine Handlungslogik bei Kindern, anhand derer die Ausrichtung der pädagogischen Arbeit reflektiert und fundiert werden kann

    Einfluss des clostridialen C3 Toxins auf die Dendritenmorphologie und Spinebildung von CA1 Pyramidenzellen in Hippocampus-Schnittkulturen der Maus - eine quantitative lichtmikroskopische Untersuchung

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    Lokale Pyramidenzellen sind die Hauptneurone des Hippocampus und können durch ihre Position und die Morphologie ihrer Dendriten als CA1 und CA3 Pyramidenzellen identifiziert werden. Die Dendriten der exzitatorischen Pyramidenzellen sind mit postsynaptischen Vorwölbungen, den so genannten Spines, bedeckt, welche in einem spezifischen Verteilungsmuster angeordnet sind. Neurotoxine wie das C3 Toxin von Clostridium botulinum sind funktionelle Substanzen, die die neuronale Morphologie verändern und die neuronale Funktion beeinflussen können. In dieser Studie wurden die morphologischen Veränderungen von intrazellulär mit Biocytin gefüllten CA1 Pyramidenzellen qualitativ und quantitativ analysiert. Die hippocampalen Schnittkulturen, in denen sich bekanntermaßen Pyramidenzellen ähnlich entwickeln wie in vivo, wurden dazu herangezogen, die Effekte der C3bot Toxin-Applikation auf die Verzweigung der Dendriten sowie Anzahl und Dichte der dendritischen Spines zu untersuchen. Drei Gruppen von Zellen wurden verglichen: Erstens Neurone, die in serumhaltigem Medium inkubiert worden waren, zweitens Nervenzellen, die in einem Medium ohne Serum inkubiert worden waren und drittens Zellen, die unter Serumentzug dem C3bot Toxin ausgesetzt worden waren. Die Inkubation dauerte 14 Tage, während die Dauer der Toxinexposition zwischen vier und sechs Stunden betrug. Mit Hilfe eines Computers wurden zweidimensionale Nachbildungen der biocytin-markierten CA1 Pyramidenzellen erstellt, und die Gesamtlänge der Dendriten, die Anzahl der dendritischen Verzweigungspunkte und die Gesamtzahl und Dichte der dendritischen Spines gemessen und statistisch ausgewertet. Signifikante Unterschiede wurden zwischen der mit C3 Toxin behandelten Gruppe und der serumhaltig inkubierten Kontrollgruppe beobachtet. Diese signifikanten morphologischen Veränderungen traten selektiv an den Apikaldendriten der toxinbehandelten CA1 Pyramidenzellen auf. Aus der Behandlung resultierte eine Reduktion der Anzahl apikaler Verzweigungspunkte, der Anzahl der apikalen Spines, der Gesamtzahl (basal und apikal addiert) der Spines sowie der Gesamtspinedichte. Im Gegensatz dazu ergaben sich keine signifikanten Unterschiede zwischen der toxinbehandelten Gruppe und der ohne Serum inkubierten Kontrollgruppe, obwohl der Serumentzug im Vergleich zur serumhaltig inkubierten Kontrollgruppe die Entwicklung der Zellen beeinflusste. Auf Grundlage der beobachteten Veränderungen können wir schließen, dass die Behandlung mit C3 bot einen starken Einfluss selektiv auf die Morphologie der Apikaldendriten ausübt. Der Mechanismus, der dieser selektiven Empfindlichkeit der Apikaldendriten gegenüber dem C3 bot Toxin zugrunde liegt, wird Gegenstand weiterer Untersuchungen sein

    Die augenpositionsabhängige Entladung von Purkinjezellen im okulomotorischen Vermis während der Ausführung von Sakkaden

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    Der okulomotorische Vermis (OMV) des Kleinhirns ist in die Ausführung von schnellen Augenbewegungen (Sakkaden) involviert. Der posteriore parietale Cortex (PPC) und verschiedene andere in die Planung und Ausführung von Sakkaden involvierte frontale Regionen des Gehirns projizieren über die Nuclei pontes dorsales in den OMV. Während eine Sakkade zu einer bestimmten Lokalisation im Raum – angegeben in retinalen Koordinaten – ausgeführt wird, produzieren Neurone im PPC in der lateralen intraparietalen Region (LIP) sakkadenkorrelierte gesteigerte Entladungsraten („Bursts“), die durch einen Verstärkungsfaktor (sog. „Gain Factor“) moduliert werden, dessen Größe linear von der Startposition der Augen abhängig ist (Andersen et al., 1990). Die neuronale Entladung variiert somit im linearen Zusammenhang mit der horizontalen und vertikalen Augenposition, was als „Gain Field“ (Verstärkungsfeld) bezeichnet wird. Gain Fields stellen einen effizienten Lösungsansatz der neuronalen Kodierung zur Umwandlung eines retinalen Bezugssystems in einen externen Bezugsrahmen dar (Salinas und Thier, 2000). Ob die sakkadenkorrelierten Simple-Spike-Entladungen der Purkinjezellen (PC) im OMV augenpositionsabhängig sind, ist das Hauptthema dieser Arbeit. Hierzu wurden Einzelzellableitungen an 58 PCs dreier Affen der Gattung Macaca mulatta durchgeführt, während sie 10°-Sakkaden mit konstanter Amplitude von neun verschiedenen Augenpositionen in acht verschiedene Richtungen pseudorandomisiert durchführten. 94% der PCs zeigten eine Vorzugsrichtung des Bursts, der Pause oder der beiden zusammen. 33% der PCs zeigten eine augenpositionsabhängige Spontanaktivität. Nach einer multiplen Regressionsanalyse mit der Sakkadenmetrik als Regressor konnte bei 37% der PCs ein sakkadenkorrelierter Augenpositionseffekt vorgefunden werden. Die Hälfte dieser PCs mit Augenpositionseffekt glich den Gain Fields im LIP. Sie scheinen jedoch ein Residuum der vom Hirnstamm weitergeleiteten Signale zu sein, da die restlichen Augenpositionseffekte idiosynkratischer Natur waren und keinem bestimmten, sich wiederholendem Entladungsmuster zugeordnet werden konnten. Es ist somit unwahrscheinlich, dass die Simple-Spike-Entladungen einzelner PCs im Sinne eines Gain Fields fungieren, das für eine Koordinatentransformation im Andersen’schen Sinne (1990) genutzt werden könnte. Nur 2 von 18 Purkinjezellen besaßen eine unterschiedliche Entladungslatenz hinsichtlich der Augenposition. Das Ergebnis einer vergleichbaren zeitlichen Abstimmung der Simple-Spike-Entladungen an den neun unterschiedlichen Augenpositionen entspricht den jüngsten Theorien über Purkinjezellen des OMV, dass sie für den zeitlichen Ablauf der Sakkade zuständig sind (Thier et al., 2000, Herzfeld et al., 2015).

    Materialität - Digitalisierung - Bildung. Neomaterialistische Perspektiven

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    Vor dem Hintergrund einer eher zögerlichen Rezeption des New Materialism in der Erziehungswissenschaft zielt der Beitrag darauf ab, sechs neomaterialistische Positionen für die Trias Materialität – Digitalisierung – Bildung zur Diskussion zu stellen. Der Beitrag endet mit einem bilanzierenden Fazit und gibt Ausblicke auf weitere Forschungsfragen. (DIPF/Orig.
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