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Protokoll
Psychophysik
Reflexe
Sensomotorik
Dienstag 30.03.2004
Gruppe B2D
Christoph Schwörer Daniel Kersting Senid Maslesa
Prolog
Die Psychophysik, auch subjektive Sinnesphysiologie genannt, unterscheidet sich zur
objektiven Sinnesphysiologie darin, dass die durch Reize verursacht Erregung nicht im
Körper direkt (z.B. Versuch Insekten ERG) gemessen werden sondern die Stärke der
Empfindung durch eine Versuchsperson angegeben wird.
Trotz der Subjektivität der Messungen existieren aber auch in der Psychophysik bestimmte
allgemein gültige Gesetzte und Rechenregeln. So setzt beispielsweise die Steven’sche Potenzfunktion (E = k(S-S0)n mit E = Empfindungsintensität; n = ein vom Receptortyp
abhängiger positiver Wert; S = Reizwert; S0 = Schwellwert) den Empfindungswert zum
Reizwert in Proportion.
Es gibt aber auch Reize die nicht nur zu einer Empfindung führen sondern auch zu einer
direkten (meist Motorischen) Reaktion des Körpers führen. Diese unwillkürlichen, mit kurzer
Latenz ablaufenden Reaktionen werden Reflexe genannt.
Versuchsteil I:
Bestimmung der absoluten Hörschwelle des Menschen
Einleitung
Der Mensch ist in der Lage Frequenzen von ca. 15 Hz bis 17-21 kHz wahrzunehmen. Der
beim Sprechen verwendete Bereich („Sprachbereich“) liegt hierbei zwischen 300 Hz und
5000 Hz.
Nicht jede Frequenz ist bei gleich niedrigem Schalldruckpegel hörbar. So erfordert es
wesentlich geringeren Schalldruckpegel um Frequenzen im Sprachbereich wahrzunehmen als
außerhalb dieses Frequenzbereichs.
Der minimale Schalldruckpegel ab dem eine bestimmte Frequenz hörbar ist wird Hörschwelle
genannt.
Methode
In diesem Versuch wird der Versuchsperson ein Köpfhörer aufgesetzt der mit einem
Reizgenerator verbunden ist. Dieser kann Impulse in einem Frequenzbereich von 15 Hz bis
30 kHz bei verschiedenem Schalldruck erzeugen.
Nun werden verschieden Frequenzen, anfangend bei 20 Hz (50, 100, 200, 500, 1000, 2000,
5000, 10000 Hz) bei einem eindeutig hörbaren Schalldruckpegel eingestellt und anschließend
der Schalldruckpegel gesenkt bis die Frequenz von der Versuchsperson eindeutig nicht mehr
wahrgenommen werden kann. Anschließend wird der Schalldruckpegel wieder gesteigert bis
die Versuchsperson die Impulse wieder hören kann (Dieser eingestellte Schalldruckpegel
sollte jedoch geringer liegen als der zuvor eingestellte maximale Pegel). Diese Prozedur wird
solange auf und ab wiederholt bis man eine Genauigkeit von 0.5 dB SPL erreicht hat. Das
Angewandte Verfahren wird als „Staircase Prozedur“ bezeichnet.
Die bei den verschiednen Frequenzen gemessenen Schalldruckpegel werden zur Auswertung
protokolliert.
Anschließend werden noch die oberen und unteren absoluten Hörschwellen gemessen indem
ein Schalldruckpegel von 95 dB SPL am Gerät eingestellt wird und die Frequenz solange
gesteigert bzw. gesenkt wird, bis kein Ton mehr hörbar ist.
Ergebnisse:
100
50
0
-50
20
50 100 200 500 100 200 500 100
Beide Ohren 55 52 linkes Ohr 54 rechtes Ohr
39 40 42
24 17 19
Abb. 1.1
25 -1,5 -11 -11 -17 -9,5 -4 19 -6 22
-12 -14 -8 -4
-9 -2
3 -5
Erwartungsgemäß war das Hörvermögen der Testperson im Sprachbereich am besten, d.h. es
wird der niedrigste Schalldruckpegel benötigt um noch etwas wahrzunehmen. Außerhalb des
Sprachbereichs steigt die Kurve zu beiden Seiten hin an.
Die absolute obere Hörschwelle der Testperson lag bei 20700 Hz.
Die absolute untere Hörschwelle der Testperson lag bei 15 Hz (Niedrigst mögliche
Einstellung des Testgerätes, es ist also durchaus möglich das die tatsächliche absolute untere
Hörschwelle noch tiefer liegt als im Versuch bestimmt.)
Diskussion:
Wenn man die Kurve aus Abb. 1.1 mit Literaturwerten vergleicht lässt sich eine grobe
Übereinstimmung im Kurvenverlauf feststellen. Allerdings liegen die gemessenen Wert um
ein Stück nach unten verschoben. Weiterhin fällt auf, dass bei dem Versuch mit beiden Ohren
meist ein besseres Ergebnis erzielt wurde als nur mit einem Ohr.
Die absolute Hörschwelle der Testperson liegt sehr hoch jedoch noch gut im Bereich des
Möglichen.
Versuchsteil II:
Akustische Richtungslokalisation beim Menschen
Einleitung:
Um auf Gefahren außerhalb seines Gesichtsfeldes reagieren zu können ist es unverzichtbar
eine ungefähre Richtung des gehörten angeben zu können. So gehört die
Richtungslokalisation zu einer der wichtigsten Fähigkeiten des Menschen. Dies wird
ermöglicht durch das „binaurale“ hören, also das hören mit 2 Ohren. Das binaurale hören wird
durch 2 Faktoren bestimmt. Zum einen durch die Zeitliche Verzögerung mit der ein
akustischer Reiz an beiden Ohren wahrgenommen wird. Wenn ein Geräusch beispielsweise
von rechts kommt so wird der Reiz zuerst am rechten Ohr und mit kurzer Verzögerung erst
am linken Ohr wahrgenommen. Der zweite bestimmende Faktor ist die Lautstärke des
Geräuschs, also der Schalldruck im Ohr. Der Reiz scheint immer aus der Richtung zu
kommen aus der er lauter wahrgenommen wird. So ein Reiz der auf dem linken Ohr lauter
wahrgenommen wird als auf dem rechten, „von links“ kommen.
Teil 1: Bestimmung der binauralen Zeitdifferenzschwelle
Methode:
Der Versuchsperson werden Kopfhörer aufgesetzt die mit einem Reizgenerator verbunden
sind der ein kurzes Klicken erzeugt. Am Reizgenerator lassen sich für den rechten und linken
Kanal der Kopfhörer verschiedene Verzögerungen (Im Bereich zwischen 0-9999µs)
einstellen. Nun wird am Reizgenerator ein fester wert von 1000µs Verzögerung für das rechte
Ohr eingestellt und die Verzögerung am linken Ohr um +- 100µs Variiert. Die
Versuchsperson, die nicht weiß wie das gerät eingestellt ist, muss nun angeben ob das
Geräusch von links oder rechts kommt. Die Angabe „Mitte“ ist hierbei nicht zulässig.
Protokolliert werden nun die Angaben der Versuchsperson bei zufällig eingestellten werden
im oben angegeben Testbereich und anschließend ausgewertet.
Ergebnisse:
Abb. 2.1
Wie man aus dem Schaubild (Abb. 2.1) erkennen kann ist beim „Mittelpunkt ein
Vorzeichenfehler aufgetreten. Dieser liegt bei –22 und nicht bei 22. Als Kriterium für ein
„sicheres“ Ergebnis bei einem psychophysischen Versuch wird eine 75% Schwelle gesetzt.
Bei der Versuchsperson liegt diese schwelle bei –28,24µs nach links und –14,76µs. Die
binaurale Zeitdifferenzschwelle entspricht dem Zeitabstand der subjektiven Mitte zum 75%-
Wert, für den Probanden also 6,75µs
Der Winkel zur Vorrausrichtung berechnet sich wie folgt:
sin α=∆l/d
∆t=∆l/c (cid:198) ∆l=∆t*c
Also ist: sin α= (∆t*c)/d, wobei:
α der gesuchte Winkel zur Vorrausrichtung,
∆t die Zeitverzögerung (in diesem Fall 6,75µs),
c die Schallgeschwindigkeit in der Luft (330m/s) und
d der durchschnittliche Ohrenabstand beim Menschen (20 cm) ist.
Es ergibt sich: sin α = (6,75µs * 330m/s) / 20cm = 0,0111 (cid:198) α =0,64°
Teil 2: Die relative Bedeutung von Schalldruck und Laufzeitunterschieden für das
Richtungshören beim Menschen („trading Messung“)
Methode:
Wie auch beim vorigen Versuch werden der Versuchsperson auch diesmal Kopfhörer
aufgesetzt und ein seitlich verzögertes Geräusch vorgespielt. Allerdings wird diesmal nicht
die Verzögerung verändert sondern die Lautstärke auf der „verzögerten“ Seite, solange bis die
Versuchsperson angibt, das Geräusch käme aus der Mitte. Die so ermittelten Werte werden in
ein Diagramm eingetragen und anschließen wird eine Ausgleichsgerade ermittelt und
eingezeichnet.
Ergebnisse:
Tabelle 1.1
Verzögerung
-100 -50 0 50 100
1 -9 -7,5 0 3 1,5
Durchgänge 3 -7,5 -1,5 4,5 0 7,5
2 -6 -4,5 0 3 1,5
4 -9 -3 3 4,5 7,5
5 -6 -6 1,5 6 4,5
Mittelwert
-7,5 -4,5 1,8 3,3 4,5
0
50
100
150
6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10
-150
-100
-50
Abb. 2.2
Diskussion:
Versuchsteil III:
Reflexe – motorische Reaktionen auf Sinneseindrücke
Einleitung:
Als Reflex bezeichnet man eine direkte, nur schwer Ermüdbare und willentlich nicht
unterdrückbare Reaktion eines Organismus auf einen äußeren Reiz. Dieser Reflex läuft bei
gleichem Reiz immer gleich ab. Durch sehr kurze Verschaltungswege im Nervensystem
laufen Reflexe sehr schnell ab. Man Unterscheidet hierbei zwischen monosynaptischen und
polysynaptischen Reflexen.
Bei einem monosynaptischen Reflex findet die Verschaltung direkt im Rückenmark über eine
einzige Synapse statt. Bei einem polysynaptischen Reflex findet die Verschaltung über
mehrer Synapsen im Rückenmark statt. Bei manchen polysynaptischen Reflexen können diese
auch erst im Hirn verschaltet werden.
Ein
durch
einen
Receptor
Wahrgenommener Reiz wird über
einen Nerv
in das Rückenmark
geleitet und dort Verschaltet. Der
Zellkörper dieses „afferenten“ Nervs
liegt
im
Spinalganglion Von
welchem aus das Axon des Nervs
durch die hintere Wurzel
ins
Rückenmark geleitet wird. Seine
Synaptische Endigung hat der Nerv
Im Vorderhorn der „grauen
Substanz“. Von dort aus wird der
Abb 3.1
Reiz über einen Nerv der an der „vorderen Wurzel“ aus dem Rückenmark austritt an den
Effektor weitergeleitet. Bei einem sogenannten Eigenreflex liegen Receptor und Effektor im
gleichen Organ. Bei einem Fremdreflex liegen Receptor und Effektor in unterschiedlichen
Organen..
Methode:
Durchgeführt wurde der sogenannte Patellarsehnenreflex. Hierbei wurde die Ferse der
Versuchsperson mit Kontaktgel bestrichen und mit einem Elektrischen Kontakt in
Verbindung gebracht. Um die Kontaktschleife zu schließen musste die Versuchsperson den
zweiten Kontakt in der Hand halten. Die Zwei Kontakte waren über einen Zeitmesser
miteinander verbunden. Nun wurde der Versuchsperson mit einem Hammer an dem sich ein
dritter Kontakt befand unterhalb der Kniescheibe auf die Pattelarsehne geschlagen. Dieser
Kontakt setze den Zeitmesser in Gang. Die Unterbrechung der Kontaktschleife durch das nach
vorne zucken des Unterschenkels durch den ausgelösten Reflex beendete die Zeitmessung
wieder. In diesem Zustand wurde der Versuch 16 mal wiederholt und die Ergebnisse notiert.
(Tabelle 3.1) Anschließend musste die Versuchsperson den Ganzen Körper in eine
Grundspannung versetzten und der Versuch wurde weitere 16 Male wiederholt und die
Ergebnisse notiert.(Tabelle 3.1) Anschließend wurde das Knie der Versuchsperson mit dem
Hammer nur berührt um der Versuchsperson ein Signal zu geben ohne einen Reflex
auszulösen. Die Person sollte so schnell wie möglich den Kontakt der Ferse unterbrechen,.
Dieser Versuch wurde weitere 16 mal wiederholt und die Ergebnisse notiert.(Tabelle 3.1).
Tabelle 3.1
Durchgänge
entspannt
116 182 154 152 177 218 255 143 210 218 155 236 259 267 179 322 202,69 51,93
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Mittlewert Standartabweichung
Diskussion:
Reaktionszeit angespannt willentlich 146 156 128 118 113 122 154 126 133 134 120 189 118 220 161 137 142,19 27,13
310 291 473 338 312 364 375 431 312 379 377 363 468 357 480 310 371,25 58,21
Man erkennt deutlich die Abweichungen zwischen entspannter und angespannter
Körperhaltung. Diese liegen weit jenseits der 5% die allgemein als „Standartabweichung“
zulässig sind. Beim Wilkoxon Verfahren lagen beide Messreihen außerhalb dieser
Maximalabweichung. Die Messergebisse sind im unwillkürlichen Bereich recht hoch aber
noch im vertretbaren Bereich. Die willkürliche Reaktion ist erwartungsgemäß extrem niedrig.
Die starke Standartabweichung weißt auf eine erhöhte körperliche Unruhe hin.
Versuchsteil IV:
Sensomotorische Integration
Einleitung:
Methode:
Bei diesem Versuch wurde der Kopf der Testperson mit Hilfe eines Gestells so fixiert, dass
die Augen 57cm entfernt vom Bildschirm lagen. Anschließend wurde ein Infrarotsensor am
linken Auge angebracht der die Augenbewegung maß und an einen Computer weitergab. Es
wurden 4 verschiedene Versuchsreihen durchgeführt. Jeweils eine zur Linearität der
Augenbewegung, zur glatten Augenbewegung, zur Augenbewegung beim Lesen und eine zu
den Sakkaden des Auges. Beim Versuch zur Linearität musste die Versuchsperson jeweils
einen weißen Balken auf dem Monitor Fixieren der in 2° Schritten von –10° bis +10°
eingeblendet wurde fixieren. Anschließend wurde die glatte Augenbewegung in drei
Versuchen gemessen. Hierbei musste die Versuchsperson zuerst einen Weißen Punkt auf
schwarzem Hintergrund fixieren, der sich mit sinusförmiger Geschwindigkeit im –10° bis
+10° Bereich bewegte. Beim 2. Versuch wurde der Monitor abgeschaltet und die
Versuchsperson sollte versuchen die Augenbewegung im vorhergehenden Versuch zu
wiederholen. Beim 3. Versuch wurde der Monitor wieder eingeschaltet und die
Versuchsperson musste den selben Punkt auf einem Strukturierten Hintergrund verfolgen.
Nun wurde der Versuchsperson zu dem Versuch der Augenbewegungen beim Lesen ein
normaler Deutscher Text eingeblendet und die Augenbewegungen beim lesen aufgezeichnet.
Anschließend wurden der Versuchsperson ein englischer Text, ein Gedicht und ein Text mit
schweren Rechtschreibfehlern eingeblendet und die Augenbewegungen wiederum
aufgezeichnet.
Ergebnisse:
9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
-15
-10
-5
0
5
10
15
Abb. 4.1(X-Achse: Ausrichtung [°] Y-Achse: Horiz. Augenposition[mm])
In Abb. 4.1 dargestellt ist der lineare Zusammenhang zwischen tatsächlicher und gemessener
Augenbewegung. Man erkennt auf beiden Seiten der Achse ein recht lineares Messergebnis.
Die Verschiebung der Geraden nach links lässt auf eine Verschiebung des Messmittelpunktes
schließen.
Abb. 4.2 (Lineare Augenbewegung bei eingeschaltetem Bildschirm)
Wie man deutlich erkennt braucht die Versuchsperson ca. 1 Sekunde um den Punkt zu
fokussieren und dem Punkt mit den Augen zu folgen. Ist dies aber erst einmal erfolg bleibt die
Augenbewegung, bis auf einen kurzen Ausschlag bei Sekunde 6 sehr nah der tatsächlichen
Bewegung des Punktes. Dieser kurze Ausschlag wird sehr vermutlich ein kurzer Lidschlag
der Testperson sein.
Abb. 4.3 (Lineare Augenbewegung bei ausgeschaltetem Monitor)
Man erkennt deutlich, dass die Augenbewegung nicht mehr linear sondern sehr sprunghaft
verlief. Die Geschwindigkeit des Punktes wurde recht gut eingehalten jedoch wird der
Ausschlag nach rechts bzw. links zum Ende hin immer größer.
Abb. 4.4 (Lineare Augenbewegung auf strukturiertem Hintergrund)
Im Vergleich mit Abb. 4.2 sieht man, dass es ca. die doppelte Zeit, also 2 Sekunden, dauert
bis die Versuchsperson den sich bewegenden Punkt auf dem Strukturierten Hintergrund
ausgemacht hat und ihn fokussiert. Ist dies aber einmal geschehen folgt der Fokus fast ideal
dem Punkt.
Abb. 4.5 (Augenbewegung bei einem deutschen, recht einfachem Text)
Man erkennt, dass beim lesen sas Wort meist sehr schnell mit dem Auge überflogen wird, der
Fokus dann aber eine kurze Zeit am Wortende bleibt. Da es sich um einen recht einfachen
Text handelt gibt es so gut wie keine Rücksprünge innerhalb einer Zeile um einen Teil erneut
zu lesen.
Abb. 4.6 (Augenbewegung bei einem englischen normal schweren Text)
Auch dieser Text konnte von der Versuchsperson ohne größere Schwierigkeiten gelesen
werden. Es gibt jedoch einige stellen an denen der Fokus des auges zurück sprang um einen
Teil des bereits gelesenen erneut zu lesen. Man kann daraus schließen dass die
Versuchsperson mit dem englischen nicht so vertaut ist wie mit Deutsch und bei manchen
Worten Verständnis- bzw. Identifikations-Probleme auftreten.
Abb. 4.6 (Augenbewegung beim lesen eines Gedichts)
Man erkennt, dass das Auge beim lesen des Gedicht länger auf einem Wort verweilte und
auch öfters zurück sprang. Dies lässt sich wohl damit erklären, dass es beim lesen des
Gedichts länger dauert das aktuelle Wort in Zusammenhang mit dem ganzen Text zu bringen,
was aber auch nicht immer sofort gelingt, so dass Teile des Textes erneut gelsen werden
müssen um den Sinn zu erkennen.
Abb. 4.7 (Augenbewegung beim lesen eines Textes mit schweren Rechtschreibfehlern)
Es wird hier ein deutlicher Unterschied zu den obigen Texten bemerkbar. Für die einzelnen
Worte benötigte die Versuchsperson wesentlich länger und sie musste sehr oft bereits gelsene
Teile wiederholen. Hier wird auch eine deutliche Zeitverschiebung zwischen „lesen“ und
„verstehen“ erkennbar da oft Worte mit Fehlern überlesen werden und erst am Ende des
Satzes springt das Auge auf die fehlerhafte Stelle zurück.
Abb. 4.8 (Aufzeichnung der Latenz der Sakkaden des Auges bei –10° bis +10°)
Man erkennt eine deutliche Ballung der Messewerte bei ca. 150ms was darauf hindeutet, dass
es sich um einen unwillkürlichen Reflex handelt und nicht um eine willentliche Handlung.
Betrachtet man die Mittelwerte so lässt sich ein leichter Anstieg von links nach rechts
feststellen was vermutlich an der Messung am linken Auge liegt.
Abb. 4.9 (Links: Geschwindigkeit der Augenbewegung in Abhängigkeit der Amplitude Rechts: Latenz der Augenbewegung in Abhängigkeit der Amplitude)
Auf dem linken Schaubild erkennt man, dass die Geschwindigkeit mit derr sich Auge bewegt
unabhängig von der Strecke ist die es zurücklegen muss. Auf dem rechten Schaubild erkennt
man die Latenz bis zur erneuten Fokussierung des Auges auf einen Punkt im Abstand der
Amplitude zur ursprünglichen Fokussierung des Auges. Bringt man die beiden Schaubilder in
Verbindung so lässt sich feststellen, dass je größer die Amplitude, also je weiter der „neue“
Punkt als Abbild auf der Netzhaut von der Fovea (also dem Ursprünglichen Fokus des Auges)
entfernt ist, die Latenz bis sich das Auge reagiert in einer logarithmus-ähnlichen Kurve
abgebildet wird. Dies liegt vermutlich an der immer größer werdenden Querverschaltung der
Sehzellen je weiter diese von der Fovea entfernt liegen, da es dann länger dauert bis der neue
Fokuspunkt „errechnet“ wurde.
4.10 (Abbildung der Sakkaden des Auges gegen [s])
Hier sieht man alle Sakkaden des Auges der Testperson übereinandergelagert. Man erkennt
deutlich eine Verdichtung etwas ober- und unterhalb der Stellen an denen eigentlich der Punkt
aufgetaucht ist, dies lässt sich auf eine ungenügende Kalibrierung des Messgeräts und vor
allem auf eine zu starke Verstärkung der Messdaten zurückführen. Die ungefähre Latenz liegt
bei 150-200 ms. Dies berechnet sich aus dem Auftauchen des Punktes (roter Strich bei 0.2s)
und dem Beginn der Augenbewegung (bei ca. 400ms). Vgl. hierzu Abb. 4.8.
Abb. 4.11 (Durchschnittliche Genauigkeit der Sakkaden bei gegebenem Auslenkungsgrad)
Das alle gemessenen Durchschnittswerte im positiven Bereich liegen verstärkt die
Vermutung, dass die Verstärkung am Messgerät zu stark eingestellt war. Vgl. hierzu Abb.
4.10.
Literatur:
Adolf Faber, Der Körper des Menschen, 13. Auflage
N.A. Campbell, Biologie, 6. Auflage