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Broadbents Y-Filter

Informationstheorie

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Definition｜ Das Modell｜ Aufbau｜ Gleichsetzungen｜ Analogiebildungen｜ Einordnung: mechanistisches Denken｜ Fußnoten


Definition


Im Jahr 1957 veröffentlichte der britische Psychologe Donald Eric Broadbent ein sehr simples Modell für einen Filter im Sinne menschlicher Informationsverarbeitung in Gehirnen. [1] Bälle, die für Information stehen, gehen durch drei miteinander verbundene Röhren. Broadbents Modell ist ein Beispiel für eine seriöse und reflektierte [6] Modellbildung im Sinne eines mechanistischen Denkens.



Bildbeschreibung und Urheberrecht
Mit diesem einfachen mechanistischen Modell wollte Broadbent eine Reihe von Phänomenen der Steuerung menschlicher Aufmerksamkeit erklären: in jeden der zwei oberen Äste des Y können gleichzeitig mehrere Bälle fallen. Die Bälle sind nummeriert, also untescheidbar. Eine Schwingklappe im Inneren, die von außen bewegt werden kann, kann den Zulauf von jeder der zwei oberen Äste sperren. Die untere senkrechte Röhre ist so eng, dass keine zwei Bälle nebeneinander hineinpassen. Kommen mehrere Kugeln gleichzeitig an der Klappe an, kann diese auch sperren und es kommt zu einer Verstopfung (jamming). Broadbent wollte damit etwa erklären, wie mehrere gleichzeitig eingehende Schallreize (rechts) verarbeitet werden. © Gunter Heim/Gemini (KI) ☛


Das Modell


Broadbent geht davon aus, dass die menschliche Wahrnehmung begrenzt ist. [2] Infolgedessen gibt es Mechanismen, die aus der Fülle von eingehenden Reizen einige auswählen. [3] Als mechanisches Modell dafür schlägt Broadbent eine Rohverzweigung in Form des Buchstaben Y vor.

Aufbau


  • Y-förmiges Rohr: Ein vertikal montiertes Rohr, das sich oben in zwei Arme verzweigt.
  • Enger Stamm: Das untere Ende des Rohrs ist so schmal, dass jeweils nur eine Kugel hindurchpasst.
  • Zwei Arme: Jede der zwei oberen Verzweigungen ist breiter als der Stamm.
  • Bewegliche Klappe: An der Verbindungsstelle zwischen den Armen und dem Stamm befindet sich eine schwingende Klappe. Diese kann entweder frei nach unten hängen oder durch einen Griff von außen so geschwenkt werden, dass sie einen der beiden Arme verschließt.
  • Nummerierte Kugeln: Kleine, individuell erkennbare Kugeln werden in die Arme des Rohrs eingeworfen.
  • Erweiterung (Kurzzeitgedächtnis): In einer komplexeren Version führen zwei Rückführungsrohre vom unteren Ende des Stammes zurück in die oberen Arme, um eine Zirkulation der Kugeln zu ermöglichen.

Gleichsetzungen


Im Modelldenken kann man das Modell mit beliebigen Komponenten ausstatten. Broadbent hätte den Röhren zum Beispiel auch noch Rückschlagventile, Leitflossen an den Innenwänden oder zufällig auf- und zu gehende Klappen hinzufügen können (was er nicht tat). Wesentlich für ein sauberen Modell ist, dass man für jede Komponente und jede ihrer Eigenschaften angibt, für was in der realen Welt sie stehen soll. Da man diese Entsprechungen willkürlich setzt, kann man hier von einer Gleichsetzung sprechen.

  • Kugeln als Information: Die eingeworfenen Kugeln repräsentieren Informationen, keine Reize (stimuli). [4]
  • Arme als sensorische Kanäle: Die zwei Arme des Y-Rohrs stehen für unterschiedliche Sinneskanäle, wie z. B. das linke und rechte Ohr.
  • Die Klappe als selektiver Filter: Die Klappe fungiert als Filter, der bestimmt, welche Information in den zentralen Kanal (den Stamm) gelangt.
  • Der Stamm als sensorischer Kanal [5] mit begrenzter Kapazität: Da der Stamm eng ist, kann er nur eine begrenzte Menge an Information pro Zeiteinheit verarbeiten.
  • Blockierung (Jamming): Werden zwei Kugeln gleichzeitig in beide Arme geworfen, prallen sie gegen die Klappe und blockieren sich gegenseitig an der Engstelle.
  • Priorität durch Zeitvorsprung: Wenn Kugeln aus verschiedenen Kanälen kurz nacheinander eintreffen, stößt die erste Kugel die Klappe zur Seite und versperrt der zweiten den Weg, bis sie den Stamm passiert hat.
  • Einfluss von Intensität und physikalischen Merkmalen: Eine heftig eingeworfene Kugel (intensiver Reiz) oder eine Neigung des Rohrs (bevorzugter Kanal) kann die Klappe gegen das Gewicht einer anderen Kugel aufdrücken.
  • Rezidivierende Zirkulation (Rehearsal): Um Informationen im "Gedächtnis" zu behalten, können die Kugeln über die Rückführungsrohre erneut durch das System geleitet werden. Verbleibt eine Kugel jedoch zu lange in einem Arm, ohne verarbeitet zu werden, "fällt" sie aus dem System (Vergessen).

Die zentrale Idee Broadbents war es, eine bestimmte Information durch eine Kugel und einen Informationskanal durch eine Röhre darzustellen. Ob nun diese Modellbildung sinnvoll ist es oder nicht, entscheidet die Praxis: kann man aus dem Modell Dinge über die echte Welt herleiten, die auch wirklich zutreffen?

Analogiebildungen


Broadbent nimmt nun sein mechanisches Modell ernst. Er glaubt nicht, dass es irgendwo im menschlichen Kopf ein solche Y gebe. Aber er spielt nun alle möglichen mechanischen Fälle durch und fragt nach der Entsprechung in der menschlichen Informationsverarbeitung. Er versucht also, das sehr reiche Modell auf die Psychologie echter Menschen anzuwenden.

  • Gleichzeitiges Eintreffen: Zwei Bälle kommen gleichzeitig an und treffen beide Seiten der Klappe; sie blockieren sich gegenseitig im Rohr ("jamming").
  • Vorherige Einstellung: Die Klappe wird manuell vorab auf eine Seite gestellt; ein in diesen Arm geworfener Ball passiert erfolgreich, während der andere blockiert wird (entspricht Instruktionen).
  • Zeitlicher Vorsprung: Ein Ball kommt kurz vor dem anderen an; er drückt die Klappe zur Seite und versperrt dem zweiten Ball den Weg.
  • Bevorzugter Kanal: Das Rohr ist leicht schräg geneigt; Bälle im vertikaleren Arm haben einen Vorteil, da die Klappe durch die Schwerkraft bereits zu einer Seite hängt.
  • Hohe Intensität: Ein Ball wird mit großer Wucht eingeworfen; er drückt die Klappe auch gegen den Widerstand eines Balles im anderen Arm auf.
  • Nachschwingen der Klappe: Nachdem ein Ball die Klappe passiert hat, schwingt sie zurück, schlägt aus und blockiert kurzzeitig denselben Arm, den der Ball gerade genutzt hat.
  • Asymmetrische Zufuhr: Die meisten Bälle werden über einen Arm eingeworfen; dies verringert das Risiko einer Blockade im Vergleich zu einer gleichmäßigen Verteilung auf beide Arme.
  • Verzögerte Verarbeitung: Ein Ball passiert den engen Flaschenhals des Rohrs; bei hoher Zufuhrgeschwindigkeit staut er sich auf, da der vorherige Ball noch nicht aus dem Rohr ausgetreten ist.
  • Ermüdung der Klappensteuerung: Die Klappe muss bei seltenen Signalen aktiv in Position gehalten werden; der Haltemechanismus (oder die Hand am Hebel) ermüdet, die Klappe schwingt zurück und Signale gehen verloren.
  • Zirkulation zur Speicherung: Bälle werden am Ende des Rohrs aufgefangen und über Rücklaufrohre wieder oben eingeworfen; so bleiben sie dauerhaft im System (entspricht dem "Rehearsal" im Kurzzeitgedächtnis).
  • Zeitüberschreitung im Speicher: Bälle verbleiben zu lange in einem Seitenarm; eine mechanische Vorrichtung (oder "Säure") entfernt sie nach einer kritischen Zeit aus dem System (Informationsverlust).
  • Umsortieren der Reihenfolge: Bälle aus der ersten Hälfte einer Serie werden in den gegenüberliegenden Arm zurückgeführt, während die zweite Hälfte im ursprünglichen Arm bleibt; dadurch verändert sich die Austrittsreihenfolge.
  • Irrelevante Signale: Unerwünschte Bälle gelangen in einen Arm; wenn die Klappe für sie geöffnet wird, mischen sie sich unter die relevanten Bälle und erhöhen das Blockaderisiko.

Für all solche Szenarien im mechanischen Modell gibt Broadbent dann wo immer möglich Entsprechungen bei der menschlichen Informationsverarbeitung, etwa bei visuellen oder akustischen Signalen. Was passiert, wenn akustische Signale in schneller Reihenfolge aus verschiedenen Kanälen auf uns einströmen? Broadbents Artikel versucht darauf Antworten und zitiert seinerseits viele Arbeiten anderer Psychologen.

Einordnung: mechanistisches Denken


Die Idee, dass der Mensch ähnlich oder ganz einer Maschine sei geht historisch mindestens zurück bis ins 17. Jahrhundert. Schon Rene Descartes beschrieb den Körper des Menschen in der Metapher einer Maschine. [10] Die Erfolge der Physik beflügelten Denker dazu, dass die ganze Welt am Ende nur Mechanik sei. Licht, Wärme, Tiere, der Mensch: alles besteht aus Seilen, Rädern, Kügelchen und Ähnlichem. Im 20. Jahrhundert waren zur Mechanik dann auch chemische Substanzen hinzugekommen, die man sich letzten Endes aber auch wieder mechanisch zusammengesetz dachte. So kam es, dass im Jahr 1936 ein englischer Arzt ein durchaus sehr ernst gemeintes Buch über die "Reaktionen der menschlichen Maschine" schreiben konnte. Für jedes Seelenleiden gäbe es, so der Arzt, ein passendes Medikament. [11] Wie passt Broadbents Y-Filter in diese Tradition? Broadbent geht philosophisch sauber vor. Er diskutiert in seinem Artikel ausführlich den Nutzen und die Grenzen mechanistischer Modelle. Ganz klar sagt er auch, dass nirgends im menschlichen Kopf ein Gebilde ähnlich wie sein Y-Filter sei. [6] Etwa zur Zeit Broadbents kam ein anderes mechanistisches Bild auf: man versuchte menschliche Neuronen elektrisch-mechanisch zu modellieren. Dieser Ansatz führt letztendlich zu den sehr erfolgreichen künstlichen Intelligenzen, die seit den 2020er Jahren weltweit stark Verbreitung finden. Damit schließt sich vielleicht ein Gedankenkreis, der in der Zeit von Descartes begann: offensichtlich kann man mit rein mechanischen Apparaten - zählt man moderne Computer dazu - so gut wie alle äußerlich erkennbaren menschlichen Verhaltensweisen (Sprache) nachstellen.

  • 1650, Rene Descartes: De homine (1662 posthum erschienen) [10]
  • 1748, Offray de La Mettrie: Die Maschine Mensch [11]
  • 1936, Yerbury Dent: Reactions of the Human Machine [12]
  • 1943, Donald Broadbent: Y-Model of Attention [1]
  • 1943, McCulloch-Pitts: künstliches Neuron [13]
  • 1950, Alan Turing: Test für KI [14]
  • 2022, KI bestehen den Test: ChatGPT [15]

Broadbents Modell vom Y-Filter ist ein löbliches Beispiel für seriöses mechanistisches Denken in den Grenzen eines Modells. Doch die spätestens von Descartes aufgebrachte Provokation, ob der Mensch letztend Endes nur mechanisch funktioniere, ist auch heute noch alles andere als entschieden. Aktuelle Rechner, nach Prinzip eines von Neumann-Rechners oder einer Turing-Maschine, arbeiten strikt im Sinne einer Mechanik. Sie könnten theoretisch aus Holz- und Metallbauteilen erstellt werden. Wenn nun solche Mechaniken die Kerndomäne menschlicher Fähigkeiten - intelligente Sprache - erfolgreich simulieren, was könnte dann das Besondere an uns sein, dass man nicht als Mechanik denken kann?

Fußnoten


  • [2] "the writer holds that the human perceptual system has a limited capacity, that in consequence a selective operation is performed upon all inputs to the system, and that this operation takes the form of selecting all inputs having some characteristic in common." In: Donald Eric Broadbent: A Mechanical Model for Human Attention and Immediate Memory. Psychological Review. Vol. 64, No. 3, 1957.
  • [3] "Such an operation [i. e. the selective operation] extracts little information from the signal and thus should be economical of nervous mechanism. Characteristics on which the selection can operate may be named "sensory channels." In: Donald Eric Broadbent: A Mechanical Model for Human Attention and Immediate Memory. Psychological Review. Vol. 64, No. 3, 1957.
  • [4] "The balls represent information, not stimulation. The reader must not contemplate the Y tube and decide that two stimuli cannot be dealt with simultaneously. They can if they convey sufficiently little information". In: Donald Eric Broadbent: A Mechanical Model for Human Attention and Immediate Memory. Psychological Review. Vol. 64, No. 3, 1957.
  • [5] "Now suppose that we wish to operate the handle in such a way that one branch always has priority: prolonged performance of a task involving only one sensory channel". In: Donald Eric Broadbent: A Mechanical Model for Human Attention and Immediate Memory. Psychological Review. Vol. 64, No. 3, 1957.
  • [6] Broadbent mahnt in seinem Text immer wieder an, dass man das Modell nicht mit dem Original verwechseln darf. Als ernst gemeinter Mechanismus neurologischer Strukturen wäre es absurd: "the error of identifying the model with the organism may be made, if only to discredit the theory by its obvious absurdity." In: Donald Eric Broadbent: A Mechanical Model for Human Attention and Immediate Memory. Psychological Review. Vol. 64, No. 3, 1957.
  • [7] Donald Eric Broadbent: Perception and communication. Originalausg., Pergamon Press, Oxford u. a. 1958, ISBN 0-08-009090-7; 3. Aufl., Nachdruck, Pergamon Press, Oxford u. a. 1969, ISBN = wie vor. (jeweils engl.)
  • [8] Donald Eric Broadbent: Decision and stress. Originalausg., Academic Press, London u. a. 1971, ISBN 0-12-135550-0; 3. Aufl., Nachdruck, Academic Press, London u. a. 1985; ISBN = wie vor. (jeweils engl.)
  • [9] Donald Eric Broadbent: In defence of empirical psychology. Originalausgausgebe Methuen young books, London 1973 (= Methuen’s manuals of modern psychology), ISBN 0-416-76780-X.
  • [10] Descartes über den Körper als Maschine: "Ich nehme an, dass der Körper nichts anderes ist als eine Statue oder Maschine aus Lehm, die Gott ausdrücklich formt". Übersetzt aus: The Philosophy of Descartes, Henry A. P. Torrey, tr., New York: Henry Holt and Company, 1892, pp. 275-287). Siehe auch 👉 mechanistisches Weltbild
  • [13] Warren S. McCulloch, Walter Pitts: A logical calculus of the ideas immanent in nervous activity. The Bulletin of Mathematical Biophysics. 5 (4): 115–133. 1943. ISSN 0007-4985. Mehr unter 👉 Broadbents Y-Filter
  • [14] Im Jahr 1950 schlug der tragische Pionier der Informatik, Alan Turing, einen Test vor, mit dem man entscheiden könne, ob ein Computer als denkend zu bezeichnen sei oder nicht. Die wesentliche Pointe des Tests war, dass er nicht entschied, ob der Computer wirklich denke, sondern nur, ob er unterscheidbar oder ununterscheidbar von den Ergebnissen menschlichen Denkens sei. Siehe mehr unter 👉 Turing-Test
  • [15] Spätestens seit der weiten Verbreitung künstlicher Intelligenzen seit dem Jahr 2022 dürften viele solche KIs den Turing-Test bestehen: unterhält man sich mit ihnen über geschriebene Texte, dürfte es unmöglich sein, mit statistischer Zuverlässigkeit zu entscheiden, ob man mit einem Computer oder mit einem echten Menschen redet. Siehe mehr unter 👉 ChatGPT


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