Lernen und Gedächtnis

1. Lernen und Gedächtnis VorlesungChristian Kaernbach Teil 1: Lernen

2. „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

3. 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) • Pawlow: Speichelbildung • hier: Lidschlag • CR  UR

4. 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

5. CS US CS US CS US Zeitverhältnisse • simultan • verzögert • rückwirkend

6. 250 500 750 CS US CS US 125 CS US Zeitverhältnisse • simultan • verzögert • rückwirkend CR ist antizipatorische Reaktion auf den US

7. Paßfähigkeit von US und CS • Experiment mit Ratten: • US1: StromschlagUS2: Brechreiz • CS1: TonCS2: 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

8. Neurophysiologiedes klassischenKonditionierens • us1 Mantelrand berührenus2 Siphon berühren • ur schwacher Kiemenrückzug • US Stromschlag Schwanz • UR starker Kiemenrückzug • CS1 Mantelrand berührenoder CS2 Siphon berührenpaaren mit US Stromschlag Schwanz • CR starker Kiemenrückzugselektiv auf CS1 oder CS2(CS+ bzw. CS–) • Hebb Lernregel (1949)

9. 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

10. 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)

11. 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 

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

13. Instrumentelles Konditionieren • benötigt: „Verstärker“ nachKonsequenz Reaktionpositiv 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

14. Beispiel • 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 Echogedächtnis bei Tieren • Wüstenrennmäuse (Kooperation mit Holger Schulze, Magdeburg)

15. 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)

16. 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)

17. 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

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

19. Aberglauben • Skinner (1948): • keine Kontingenz zwischen Reaktion und Verstärker:alle 15 s Futter • Tauben lernenirrelevante Bewegungsmuster • Staddon & Simmelhag (1971) • Replikation von Skinner, abergleichförmigeres 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

20. 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)

21. 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.

22. Implizites Lernen • findet beiläufig statt • ohne Aufmerksamkeitszuwendung • bleibt unbewußt

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

24. S X S T in out X P P K K T finite state Grammatik • TXS • PKPS • TSSSXXTTTKPS • TXSS

25. 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)

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

27. Wahrnehmungslernen • einfache Unterscheidungsaufgaben • Tonhöhe (Lautstärke, ...) • 1 kHz trainiert → 4 kHz nur etwas besser • mit Aufgabe besseres Lernen, aber auchohne 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

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

33. 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?

34. Wahrnehmungslernen? • Prismenadaptation

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

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

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

38. Wahrnehmung ??? Handlung ؤ ت و ك ز ظ غ ن ه ى د ج Wahrnehmung Handlung Wahrnehmung ??? Handlung 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. Experimente mit Prismenbrillen zentraleRepräsentation räumlichen Wissens  Adaptation  räumlichesWissenist „verteilt“

39. Einfluß der Trajektorie • Touch screen • Horizontaler Balken als Kinnstützedadurch 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)

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

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

42. ein erstes Fazit • kein Transfer zur passiven Handnur ca. 50% Transfer zur jeweils anderen Trajektorie der aktiven Hand • „passiver“ Zerfall der Adaptationungewohnte Bewegungen werden leichter adaptiert • Adaptation ist keine Rekalibrierung der visuellen Wahrnehmungsonst hätte man 100% Transfer auf passive Hand erwarten müssenund keine vollständige Rekalibrierung der Propriozeptionsonst 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.

43. Abhängigkeit von der Startposition Kreisbewegungen einschieben Weitere Experimente

44. Vertikale Generalisierung Weitere Experimente mit/ohne Gewichtsarmband

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

46. 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 Umkehrbrilleobwohl 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.

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

48. 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'

49. 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

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