Synergien: Aus der Biologie in den Rechner und zurück

Mit jedem Augenschlag und jeder Bewegung verändert sich blitzschnell das Bild, das wir sehen. Eigentlich müsste uns dieses bewegte Netzhautbild schwindelig machen. Warum wir trotzdem ein stabiles Bild sehen, erklärt Prof. Dr. Christoph von der Malsburg (Institut für Neuroinformatik) anhand seines Modells des Objektsehens.

Im aktuellen Sonderheft NeuroRUBIN des Wissenschaftsmagazins RUBIN zeigt er, wie sich eine auf neuronale Prinzipien stützende Hypothese anhand eines Gesichtserkennungs-Systems quasi rechnerisch bestätigt und dabei die biologische Sichtweise erweitert.

Das „innere Auge“ sieht ein stabiles Bild

Das Objekterkennungsmodell „Dynamic Link Matching“ (DLM) gibt eine Erklärung dafür, warum unser „inneres Auge“ ein stabiles Bild sieht: Ein sog. Modellfenster, das dem „inneren Auge“ entspricht, konstruiert aus aktuellen Bilddaten (Bilddomäne) und gespeicherten Modelldaten (Modelldomäne) ein stabiles, von Augenbewegungen unbeeinflusstes Bild der Umwelt. Möglich ist das nur durch schnelle situationsabhängige Organisationsprozesse (dynamische Links), durch die zwischen den Domänen und dem Fenster Punkt-zu-Punkt-Verbindungen aufgebaut werden. Das Bild wird kontinuierlich in Position, Größe und Orientierung sowie Objektform, Pose und Beleuchtung angepasst.

Gesichtserkennungssystem bestätigt Modell

Diesen Prozess der Objekterkennung haben die Neuroinformatiker im Rechner realisiert und auf das Problem der Gesichtserkennung angewendet – mit großem Erfolg, was den Vergleich von statischen Bildern im Bild- und Modellbereich betrifft. Rechnerexperimente werden mit zunehmender Rechner-Kapazität mehr und mehr zum Gradmesser für realistische Konzepte. Im nächsten Schritt soll das System nun die Fähigkeit des natürlichen Sehsystems nachbilden und die Umwelt direkt visuell erfahren. Wenn das gelingt, wird das Gesichtserkennungssystem selbstständig aus Bildern lernen und aus vielen Tausenden von Einzelbildern ein genaues plastisches Modell des menschlichen Gesichts aufbauen. Die Forscher hoffen, dieses Ziel in ein bis zwei Jahren zu erreichen.

Standardmodell überdenken

Das Modell der dynamischen Links entspricht nicht dem gegenwärtigen neuronalen Standardmodell, das von starren Verbindungsmustern ausgeht, wonach sich Neuronen nicht situationsabhängig gruppieren können. Prof. Dr. von der Malsburg ist davon überzeugt, dass sich dynamische Links im Gehirn realisieren lassen: Zum Beispiel können Synapsen (Kontaktstellen zwischen den Nervenzellen) durch Signalkorrelation schnell und reversibel zwischen einem leitenden und einem nichtleitenden Zustand schalten. Da sich seine These experimentell überprüfen lässt, hofft er, dass sich die Kollegen aus der Neurobiologie bald des Themas annehmen werden.

Von Mensch bis Maus

Zehn weitere Themen aus Medizin, Naturwissenschaften und Neuroinformatik in NeuroRUBIN: „Der kleine Unterschied“ im menschlichen Gehirn; Wenn Gesichter bedeutungslos sind – Auf den Spuren einer seltenen Funktionsstörung des Gehirns; Von der Nase ins Gehirn – Wie Düfte Gestalt annehmen; Leistungssteigerung und Plastizität bis ins hohe Alter; Künstliche Bewegung, so natürlich wie möglich; Sehen und Bewegen: Ein Feuerwerk der Nervenzellen; Elektrische Synapsen: „Aschenputtel“ unter den Zellkontakten; Räume der Bewegung – Wo Nervenzellen entstehen, wachsen und sich verändern; Diagnose Veitstanz (Chorea Huntington) – Was kann da noch helfen?; Tierphysiologie: Mäuse stehen Modell für neurodegenerative Erkrankungen sowie sechs Forschungsprojekte aus der International Graduate School for Neuroscience (IGSN).

Weitere Informationen

Prof. Dr. Christoph von der Malsburg
Institut für Neuroinformatik der Ruhr-Universität
44780 Bochum
Tel.: 0234 – 32-27997
E-mail: Christoph.von.der.Malsburg@neuroinformatik.ruhr-uni-bochum.de