Gehirnmodell

Das Modell

Das interaktive physische Gehirnmodell (entwicklet von Pascal Ankli) besteht aus 18 separaten Teilen und bildet die zentralen Strukturen des Gehirns ab, wie in Abbildung 1 dargestellt. Zu den modellierten Strukturen zählen: Caudate (gelb), Putamen, Striatum, Claustrum, Pallidum (orange), Amygdala (grün), Hippocampus (rot), Thalamus (violett), Hypothalamus (blau), Hypophyse (hellblau), Zirbeldrüse (schwarz), Corpus callosum (grauer Balken), der Hirnstamm einschliesslich Substantia nigra (dunkelgrau), Cerebellum (orange mit schwarzen Streifen), zwei Augen sowie die Kortizes der linken und rechten Hemisphäre. Der Kortex ist so konstruiert, dass er einen inneren Hohlraum aufweist, der die Integration der elektronischen Komponenten ermöglicht.

Dieses Modell dient als Plattform für die Implementierung eines sensorischen Systems, das über ein Arduino Uno-Board [1] gesteuert wird (Abbildung 2). Akustische, visuelle und mechanische Sensoren sind in das Modell integriert und mit dem Board verbunden. Die erfassten Signale werden an zwei LED-Streifen weitergeleitet – einen für die linke und einen für die rechte Hemisphäre. Jede der 288 LEDs ist einzeln ansteuerbar und programmierbar, wodurch neuronale Aktivitätsmuster simuliert werden können.

Die Simulation

Der Fokus der Simulation liegt auf der Visualisierung neuronaler Mechanismen, die während der bistabilen Wahrnehmung bei konstantem visuellen Reiz auftreten, wie in aktuellen Publikationen dokumentiert. Bistabile Wahrnehmung bezeichnet ein Phänomen, bei dem ein unveränderter Stimulus zwischen zwei stabilen Interpretationen alterniert. Ein bekanntes Beispiel ist der aus Kanten gezeichnete Necker-Würfel (Abbildung 3), bei dem entweder die linke untere oder die rechte obere Fläche als Vorderseite wahrgenommen wird. Obwohl sich der physische Reiz nicht verändert, kann die zuvor als Rückseite interpretierte Fläche spontan in den Vordergrund wechseln. Dieser perzeptuelle Wechsel bei konstantem Stimulus ist charakteristisch für bistabile Wahrnehmung.

Die Simulation ermöglicht es, die zugrunde liegenden neuronalen Dynamiken während solcher spontanen Wahrnehmungswechsel zu untersuchen und trägt zum besseren Verständnis der Mechanismen bewusster Wahrnehmung bei. Neben der binokularen Rivalität stellt der Necker-Würfel ein etabliertes experimentelles Paradigma zur Untersuchung bistabiler Wahrnehmung dar, da der Stimulus unverändert bleibt und der Wechsel ausschliesslich auf internen neuronalen Prozessen beruht. Ein Beispiel für experimentelle Untersuchungen mit dem Necker-Würfel findet sich in der Arbeit von Kornmeier und Bach (2005), die EEG-Korrelate spontaner Wahrnehmungswechsel bei reversiblen Figuren analysiert [2].

Referenzen

[1] Chen X and Li H (2017) ArControl: An Arduino-Based Comprehensive Behavioral Platform with Real-Time Performance. Front. Behav. Neurosci. 11:244. DOI: https://doi.org/10.3389/fnbeh.2017.00244

[2] Kornmeier, J., & Bach, M. (2005). The Necker cube — an ambiguous figure disambiguated in early visual processing. Vision Research, 45(8), 955–960. DOI: https://doi.org/10.1016/j.visres.2004.10.006.