![Page 1: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/1.jpg)
Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“
Die laterale Inhibition rezeptiver Felder
Leistung einer elementaren Neuronenschaltung
Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet
![Page 2: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/2.jpg)
Neuronale Inhibitionsschaltung
Interneuron
![Page 3: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/3.jpg)
4 44 8 8 8
2 2 1 5 44
4 4 2 10 8 82
Laterale Inhibition in technischer Darstellung
Inhibitionskoeffizient = 1/4
![Page 4: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/4.jpg)
Amakrinzelle
Horizontalzelle
Ganglienzelle
Bipolarzelle
Stäbchen
Zapfen
Querverschaltung der Netzhaut
![Page 5: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/5.jpg)
LichtZentrum
OFF-Bipolare ON-Bipolare
OFF-Ganglienzelle
ON-Ganglienzelle
Zapfen
Elementare Sehzellenverschaltung – ON / OFF-Antworten
![Page 6: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/6.jpg)
LichtZentrum
Licht
Horizontalzelle
ON-BipolareOFF-Bipolare
OFF-Ganglienzelle
ON-Ganglienzelle
Peripherie
OFF-Bipolare ON-Bipolare
OFF-Ganglienzelle
ON-Ganglienzelle
Zapfen
Elementare Sehzellenverschaltung – ON / Off-Antworten
![Page 7: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/7.jpg)
4 4 4 84444444
4 4 4
4 4 44 4 4
4 4 44 4 44 4 4
8888888
88888888
888
88888
888
888884 4 4 4
4 4 4 102222222
4 4 4
4 4 44 4 4
4 4 44 4 44 4 4
10101010101010
88888888
888
88888
888
888884 4 4 2
Hervorhebung eines Hell-Dunkel-Sprunges durch Inhibition
Inhibitionskoeffizient = 1/4Verstärkung = 2
![Page 8: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/8.jpg)
Mach-Streifen
![Page 9: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/9.jpg)
Sehtafel
U H N Z E R I L OZ N R P V W Z S T
U P N E R F M A DE U V H Z L R P W
Z U N V E R O P GH 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
![Page 10: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/10.jpg)
e -Ebene
a -Ebene
Zweidimensionale e- a -Verknüpfung
![Page 11: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/11.jpg)
Vertikale und horizontale Inhibitionsoperation
Originale Helligkeitsverteilung
Hinter dem Inhibitionsfilter
Verstärkung um den Faktor 2
(Inhibitionskoeffizient = 1/ 8)
8 8 8 8 8 81616
16
16
16
16
16
16 16 16 16 16 16
8 8 8 8 8 8
8 8 8 8 8 8
8 8 8 8 8 8
8 8 8 8 8 8
8 8 8 8 8 8
4 4 3 3 4 41010
10
8
10
10
10
10 10 10 10 10 10
4 4 3 3 4 4
3 3 2 2 3 3
3 3 2 2 3 3
4 4 3 3 4 4
4 4 3 3 4 4
4
100 8
12i
ieea
51
8
30
4
62
7
8 8 6 8 8 82020
20
1620
20
20
20 20 20 20 20 20
8 8 6 8 8 8
6 6 4 4 6 6
6 6 4 4 6 6
8 8 6 6 8 8
8 8 6 6 8 8
![Page 12: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/12.jpg)
Gegenüberstellung
8 8 8 8 8 816
16
16
16
16
16
16
16 16 16 16 16 16
8 8 8 8 8 8
8 8 8 8 8 8
8 8 8 8 8 8
8 8 8 8 8 8
8 8 8 8 8 8
8 8 6 8 8 82020
20
16
20
20
20
20 20 20 20 20 20
8 8 6 8 8 8
6 6 4 4 6 6
6 6 4 4 6 6
8 8 6 6 8 8
8 8 6 6 8 8
![Page 13: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/13.jpg)
HERMANNsche Kontrasttäuschung
Hermann, L. (1870) Eine Erscheinung simultanen Contrastes. Pflügers Archiv für die gesamte Physiologie 3, 13-15
![Page 14: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/14.jpg)
Mathematische Interpretation des Fensterkreuzoperators
4
100 4
14i
ieea1304
2
Dieser Operator ist das digitale Analogon zum Laplace-Operator: 2
2
2
22
yx
)()(1Δ
)Δ(Δ0210222
2
ffffhx
fxf
)()(1Δ
)Δ(Δ0430222
2
ffffhy
fyf
2
2
2
2
yf
xf
diskretisiert 4321024
1fffff
h
f1
f0
f2
h h
f3
f0
f4
x, y
![Page 15: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/15.jpg)
Optische Täuschungen als Grundlage zur Analyse
der neuronalen Informationsverarbeitung
![Page 16: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/16.jpg)
Szintilations- Täuschung
![Page 17: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/17.jpg)
Scheinkontur
![Page 18: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/18.jpg)
Scheinkontur
![Page 19: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/19.jpg)
Der Necker-Würfel
![Page 20: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/20.jpg)
Der Necker-Würfel
![Page 21: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/21.jpg)
Müller-Lyer-Täuschung
![Page 22: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/22.jpg)
Ponzo-Täuschung
![Page 23: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/23.jpg)
Poggendorff-Täuschung
![Page 24: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/24.jpg)
![Page 25: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/25.jpg)
Entwurf eines größen-, dreh- und verschiebungsinvarianten Zeichenerkennungssystems mit einer Inhibitionsschaltung
![Page 26: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/26.jpg)
Triviales Modell:
Entfernungsinvarianter Intensitätssensor
![Page 27: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/27.jpg)
Invarianzeigenschaft: Größe, Rotation, Translation
![Page 28: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/28.jpg)
Kompaktheit K als größen- rotations- und translationsinvariante Eigenschaft geometrischer Figuren:
FlächeUmfang
√K =
282,021
2
2
rrK r = Radius des Kreises
219,063
334/ 42
s
sK s = Seite des gleichschenkligen Dreiecks
250,041
4
2
aaK a = Seitenlänge des Quadrats
177,082
82 2
aaK a = Seitenlänge der Quadrate
![Page 29: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/29.jpg)
Originale Helligkeitsverteilung
Hinter dem Inhibitionsfilter(Verstärkung = 8/3, Inh. Koeff = 1/8
„Soll“ für Umfangsmessung
0 0 0 0 0 001
1
1
1
1
0
0 1 1 1 1 0
0 1 1 1 1 0
0 1 1 1 1 0
0 1 1 1 1 0
0 1 1 1 1 0
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 001
0
0
0
1
0
0 1 0 0 1 0
0 5/3 1 1 0
0 1 0 0 1 0
0 1 0 0 1 0
0 1 1 0
0 0 0 0 0 0
5/3 5/3
5/3
0 0 0 0 0 001
0
0
0
1
0
0 1 0 0 1 0
0 2 1 1 2 0
0 1 0 0 1 0
0 1 0 0 1 0
0 2 1 1 2 00 0 0 0 0 0
Vertikale, horizontale und diagonale Inhibitionsoperation
8
100 8
138
iieea
51
8
30
4
62
7 00 00für aa
![Page 30: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/30.jpg)
Inhibition 1
2
21 K
K
0,282
0,250
0,219
0,177
Biologisch inspirierte Zeichenerkennungs-Schaltung
![Page 31: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/31.jpg)
Schichtung
von
Gestaltfiltern
![Page 32: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/32.jpg)
)]()(
2)[(
545433
54321000 21
eeeeee
eeeeeeea
01
2534
Der Lohmann-Fensteroperator
![Page 33: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/33.jpg)
. . .
= 1
= 1
= 1
= 2
Beispiel
( ) [ ]21121
21
( )[ ]211212
1
( ) ( )[ ] 0111112121
( ) [ ] 01121
( )[ ] 12121
( )[ ]211212
1
( )[ ] 01121
( ) [ ] 12121
( )[ ] 2111121
21
( )[ ] 0112121
![Page 34: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/34.jpg)
Besonderheit des Lohmann-Fensteroperators
Der Operator zählt Figuren innerhalb von Figuren negativ
+1 Fig. 0 Fig. -1 Fig. +1 Fig.
![Page 35: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/35.jpg)
Signalverarbeitung durch lokale Filter
![Page 36: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/36.jpg)
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
Serielle Abarbeitung eines Fensteroperators
518
304
627
![Page 37: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/37.jpg)
Entwurf eines Autofocus-Systems
mit einen Inhibitionsschaltung
![Page 38: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/38.jpg)
10886644220Diff
101010101000000Diff
0 8642 10
= 10
= 10
MaximalwertRegler
M
0
42
1086
0
42
1086
0 101000 10
Zum System Biofocus
unscharf
scharf
| D | | D | | D |
![Page 39: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/39.jpg)
210
26
28
24
26
22
24
20 8642Inh
0 8642 10
= 10
= 0
MaximalwertRegler
M
0
42
1086
0
42
1086
0 101000 10
Zum System Biofocus
unscharf
scharf 210
210
210
20
210
20
20
20 101000Inh
| Inh | | Inh | | Inh | | Inh |
![Page 40: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/40.jpg)
Realisierung einer künstlichen Netzhaut
Spektrum der Wissenschaft, Juli 1991
![Page 41: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/41.jpg)
Schematischer Aufbau der Riechschleimhaut
Aus Schmidt, Thews, Lang: Physiologie des Menschen
Laterale Inhibition durch periglomeruläre Zellenund Körnerzellen
![Page 42: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/42.jpg)
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
![Page 43: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/43.jpg)
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
![Page 44: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung](https://reader036.vdocument.in/reader036/viewer/2022081502/55204d6749795902118bd731/html5/thumbnails/44.jpg)
Ende