Bionische Informationsverarbeitung: Warum hören Schleiereulen so gut?

Schleiereule-Artikel

Schleiereulen sind nächtliche Jäger mit wenig Fettreserven. Besonders im Winter sind sie auf guten Jagderfolg angewiesen. Durch den hohen Selektionsdruck exzellent angepasst, können heutige  Schleiereulen extrem leise Geräusche sehr genau orten. Dadurch können sie Mäuse sogar durch eine geschlossene Schneedecke erbeuten. Der Grund für diese besonderen Leistung sind nicht nur anatomische Anpassungen, sondern auch eine entsprechende Verarbeitung der aufgenommenen akustischen Informationen [Spektrum der Wissenschaft, Juni 1993: Die Schallortung der Schleiereule von M. Konishi].

Bionische Informationsverarbeitung

Damit ein lebender Organismus in einer rauen Umwelt überleben kann, muss er die Veränderungen der Umwelt sensorisch aufnehmen, diese Daten verarbeiten und eine adäquate Reaktion generieren. Dies trifft prinzipiell auf alle Lebewesen zu, also Pilze, Pflanzen, Tiere.

Tiere haben mit ihrem Nervensystem und ihrer Motorik hier eine besondere Stellung. Sie können erfasste Impulse in eine schnelle motorische Reaktion umsetzen. Hier wird die Bionik neugierig: Eine schnelle Reaktion ist auch in der Technik gefragt.

Das Nervensystem als informationsverarbeitende Struktur ist als Teil des Körpers in Interaktion mit der Umwelt entstanden. Es ist eingebettet in verschiedene sensorische Systeme (Hören, Sehen, Fühlen, Riechen, Tasten) und eine vielfältige Aktuatorik (z. B. Skelettmuskelsystem). Bei der Verarbeitung sensorischer Daten spielen eine sinnvolle Datenreduktion und das Erstellen valider, multimodaler Repräsentationen der Umwelt eine Rolle. Da die Fülle der Informationen von außen auch konkurrierende Reize enthält, sind  Mechanismen zur Auswahl geeigneter Reaktionen entstanden.

Bionische Informationsverarbeitung ist die technische Umsetzung solcher biologischer Informationsverarbeitung. Man muss dafür das Zusammenspiel und die Funktionsweise von biologischen Sensoren, Nervensystemen und Muskeln analysieren, verstehen, abstrahieren. Neben Algorithmen zur Softwareentwicklung gilt es, strukturelle Erkenntnisse für eine Hardwareimplementierung zu entdecken.

Schleiereulenforschung

Am Lehrstuhl für Zoologie und Tierphysiologie der RWTH Aachen werden seit über 20 Jahren die sensorischen Leistungen von Schleiereulen untersucht. Dazu steht dem Team eine eigene Eulenzucht zur Verfügung. Die Forschung konzentriert sich auf die Informationen, die von rezeptiven und neuronalen Strukturen, die dem Hören dienen, erfasst und verarbeitet werden. Dabei werden die neuronalen Grundlagen der Verarbeitung auf verschiedenen Ebenen analysiert. Neben Verhaltensversuchen dienen elektrophysiologische Untersuchungen dazu, die zugrunde liegenden Mechanismen zu erforschen.

Eine für jeden sichtbare Anpassung der Schleiereulen ist der schallsammelnde Gesichtsschleier.  Er erhöht deutlich die Empfindlichkeit für Schall. Dazu kommt, dass die Ohren asymmetrisch angeordnet sind. So können die Eulen Schallquellen durch die Zeitunterschiede der eingehenden Informationen zwischen beiden Ohren orten. Dazu bedarf es innerhalb von Mikrosekunden einer Phasenkopplung des neuronalen Signals an das Schallsignal. Bei der Phasenkopplung kommt es in einzelnen Frequenzbereichen zu Mehrdeutigkeiten. Hm, Mist. Schleiereulen lösen dieses Problem durch Integration über mehrere Frequenzbereiche. Na, geht doch.

Die Erkenntnisse aus der Forschung mit den Eulen werden mit Hilfe der Mathematik formalisiert und mit Hilfe der Informatik zum Beispiel auf Roboterplattformen implementiert. Oder sie können mit Hilfe technischer Akustik für neue Richtmikrofone genutzt werden.

Quelle: https://blog.vdi.de/2016/06/hoeren-wie-die-schleiereulen

Augen-Logo Maria

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