Puzzle Box

Mit lerntheoretischen Experimenten in der Puzzel-Box und der Skinner-Box wurden die wissenschaftlichen Grundlagen der Trainingsmethoden geschaffen, mit denen Hunde heute erzogen werden. Die Puzzle Box wurde von Edward Lee Thorndike entwickelt, um im Tierversuch die instrumentelle Konditionierung zu entwickeln. Sie wurde von B. F. Skinner zur Skinner Box weiterentwickelt, um die operante Konditionierung, auf der fast alle modernen Trainingsmethoden für Hunde basieren, zu entwickeln. Beide Boxen sind Käfige, in denen Tiere ein bestimmtes Verhalten zeigen sollen, das Betätigen eines Mechanismus, der einen immer gleichen Reiz erzeugt.

Edward Lee Thorndike benötigte Ende des 19. Jahrhunderts eine experimentelle Vorrichtung, um zu überprüfen, wie ein Lebewesen lernt, sein Verhalten auf einen Reiz anzupassen.  Entsprechend wird hierbei von Reiz-Reaktions-Reiz-Kopplung gesprochen. Hierzu entwickelte er den von ihm Puzzle Box genannten Problemkäfig, der sich von innen durch ein Versuchstier rein mechanisch öffnen ließ, wenn es einen Schalter drückte oder an einer Schnur zog und vor dessen Tür sich Futter befand. So stellte der Freiheitsentzug in und das unerreichbare Futter vor der Box den Problemreiz dar, die Betätigung des Schalters die Reaktion, die sich öffnende Käfigtür den immer gleichen Reiz dar, der anzeigt, dass das Problem gelöst ist: Die Freiheit, den Käfig zu verlassen, ist nun erlangt.

Als in den 1930er Jahren B. F. Skinner auf der Forschung Thorndikes aufbauend seine operante Konditionierung erforschte, benötigte auch er eine solche Vorrichtung. Allerdings wollte er zunächst belegen, dass es keines Problems bedurfte, um Verhalten zu zeigen. Vielmehr, so seine Annahme, würde ständig zufälliges Verhalten gezeigt, häufig aber gefolgt von einem bestimmten Reiz als Konsequenz. So ging Skinner zunächst von einer Reaktions-Reiz-Kopplung aus, die er im Laufe seiner Forschungen zu einer Reiz-Reaktion-Reiz-Kopplung ausbaute. Aus diesem Grund nahm er zwar die Idee der Puzzle Box auf, legte aber Wert darauf, dass der Aufenthalt in ihr für die Versuchstiere keinen Problemreiz darstellte. Dies erreichte er einerseits durch die Verwendung von Tauben, die an ein Leben in Käfigen gewöhnt waren. 

Darüber hinaus stellte er einige weitere Anforderungen an seine Box. Die Box selbst sollte den Status einer möglichst reizarmen Umwelt innehaben. Innerhalb der Box sollten Reize, in Abhängigkeit der durch den Experimentator verfolgten Forschungsziele, kontrolliert verabreicht werden. Der menschliche Faktor sollte als Fehlerquelle möglichst ausgeschlossen werden: Reize sollten automatisch verabreicht, die Reaktionen der Versuchstiere, Reize und die dazugehörigen Zeiten ebenso automatisch gemessen und dokumentiert werden. 

Um all das zu ermöglichen, reichte reine Mechanik nicht mehr aus, weshalb auf elektro-mechanische Technik zurückgegriffen wurde. Diese ermöglicht es, die Skinner Box unterschiedlich zu verdrahten, um verschiedenste Hinweisreize ein- und auszuschalten, Reaktionen zu messen und verschiedenste als angenehm oder unangenehm empfundene Reize als Konsequenz dieser Reaktionen beginnen oder enden zu lassen, um das von Skinner im Rahmen seiner Forschung zur operanten Konditionierung entwickelte Kontingenzschema abbilden zu können.

Eine der ersten und einfachsten Skinner Boxen, mit der das eingangs erwähnte zufällige und spontane Verhalten  untersucht werden sollte, war so gestaltet, dass das Picken einer Taube auf einen Schalter einen Futterspender veranlasste, unmittelbar eine gewisse Menge Futter freizugeben, was der positiven Verstärkung entspricht. Dazu musste die Box eingeschaltet werden. War sie das, wurde auch ein Drucker aktiviert, wie man ihn beispielsweise von EKG-Drucken kennt: Diese Geräte transportieren das Papier in einer gewissen Geschwindigkeit an einem Stift vorbei, der sich im 90° Winkel zur Bewegungsrichtung des Papiers bewegt. So wird der durch den Stift verursachte Graf im Verlauf der Zeit dargestellt. Im Fall der Skinner Box bewegt sich der Stift mit jeder Betätigung des Schalters, also jeder zu verstärkenden Reaktion des Versuchstiers, um eine Einheit nach oben und verbleibt dort bis zur nächsten Betätigung, sodass sich eine Treppenform ergibt und zu jedem Zeitpunkt die Summe aller bisher erfolgten Reaktionen sowie die Zeit zwischen den Reaktionen ablesen lässt. Außerdem können die Grafen mehrerer Sitzungen eines Tieres miteinander verglichen werden, um erkennen zu können, wie sich die Zeitintervalle zwischen den Reaktionen verändern: Verringert sich das Intervall, entspricht das einer Zunahme der Reaktions-Reiz-Kopplung und so dem Lernfortschritt.

Diese einfache Variante der Skinner Box kann so variiert werden, dass auch die übrigen drei Konsequenzen aus dem Kontingenzschema (negative Verstärkung, positive und negative Strafe nachgestellt werden können. Zur Verabreichung der teilweise notwendigen unangenehmen Reize werden Böden in die Boxen gebaut, die Strom leiten können. Um die Wirkung von Hinweisreizen zu erproben, werden farbige Leuchten oder Lautsprecher verbaut. Zur Erforschung der Kontiguität werden Zeitschalter eingebaut, über die der zeitliche Verzug zwischen Reaktion und Folgereiz geregelt werden kann. Zur Erforschung des Shapings wird die Box so umgebaut, dass der Futterspender nicht mehr nur durch das Tierverhalten, sondern auch vom Experimentator über eine Fernbedienung ausgelöst werden kann.

Der Einfluss dieser beiden Versuchseinrichtungen auf unsere aktuellen Trainingsmethoden kann also nicht groß genug geschätzt werden. Ein tieferes Wissen um die Entwicklung von verhaltenspsychologischen Experimenten hin zu einer Trainingsmethode ermöglicht einen flexibleren Umgang mit den Methoden. Einen solchen Einblick vermitteln unsere drei Artikel aus der Reihe über die Lerntheorie:

Lerntheorie I: Die wissenschaftlichen Grundlagen modernen Hundetrainings – Pawlow, Skinner & Co

Lerntheorie II: Clicker- & Targettraining, Shaping & Chaining, Capturing & Co als angewandte Wissenschaft

Lerntheorie III: Der Kurzüberblick über die Trainingsmethoden der modernen Hundeerziehung