Gedruckt am: 16.09.2014
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Wie die Welt in den Kopf kommt

Wahrnehmung ist ein komplexer Prozess: Verschiedene Sinnesorgane liefern Daten, erst im Kopf entsteht ein einheitliches Bild. Wie das Gehirn das Puzzle zusammensetzt, untersucht ein Bielefelder Forscher – mittels Illusionen und gezielter Verwirrung.

Copyright: Richard Gregory

Wenn Marc Ernst etwas über seinen Forschungsgegenstand erfahren will, dann foppt er ihn. Und mit diesem auch die Probanden und Besucher, die ihn in seinem Labor an der Universität Bielefeld besuchen. Er verwirrt ihren Sehsinn, narrt ihr Tastempfinden oder programmiert ihre intuitiven Welt-Erfahrungen um. Und das alles für die Forschung. Denn das Thema des Professors für kognitive Neurowissenschaften ist die Wahrnehmung: Wie spielen die verschiedenen Sinne zusammen? Wie kombiniert das Gehirn etwa Gesehenes, Gehörtes und Rückmeldungen des Körpers zu einem einheitlichen Bild von dem, was um uns herum vorgeht?

„Wie alle technischen Sensoren sind auch unsere Sensoren nicht perfekt, sodass die Sinneseindrücke verrauscht und unter Umständen mehrdeutig sind,“ sagt Ernst, ein jugendlich wirkender Mann mit dunklem Wuschelkopf. Das müsste eigentlich zu Problemen führen. Dennoch entsteht in aller Regel ein einheitliches Bild in unserem Kopf. Um herauszufinden, wie dem Gehirn das trotz der mitunter schlechten Datenlage gelingt, täuscht Marc Ernst in seinem Labor gezielt einzelne Sinne. „Konflikte zwischen den Sinneskanälen einbauen“, nennt er es selbst.

Virtuelle Bauklötzchen

Das ist selbst in einfacheren Fällen wie dem Zusammenspiel von Auge und Tastsinn mit viel technischem Aufwand verbunden. Ernst führt den Besucher zu einem Gerät, das entfernt an Untersuchungsaufbauten beim Augenarzt erinnert: Man legt sein Kinn auf ein Gestell und schaut durch eine Brille. Zusätzlich braucht man Daumen und Zeigefinger, die man in beweglich aufgehängte Fingerhüte steckt.

Nun beginnt der Versuch. Auf einem Bildschirm erscheint ein Balken. Dort, wo man seine Fingerspitzen vermutet, sieht man gleichzeitig zwei Punkte. Nun wird zugegriffen: Einen Moment lang kann man den Balken fühlen, dann löst er sich in Luft auf. Das Ganze wiederholt sich mit einem zweiten Balken. Schließlich wird gefragt, welcher von beiden der dickere war. Der Trick bei der Sache: In der virtuellen Realität des Versuchs gelten die Gesetze der realen Welt nicht. Die gesehene und die gefühlte Dicke des Balkens können verschieden sein: Das eine ist eine dreidimensionale Computergrafik, das andere ein mechanischer Widerstand, vermittelt über filigrane Roboterärmchen, an denen die Fingerhüte befestigt sind.

Ernst kann also beides unabhängig voneinander programmieren und so untersuchen, welchen Anteil an der Größeneinschätzung das Sehen und welchen das Fühlen hat. Zudem kann er über die Bildauflösung die Qualität des optischen Signals regulieren. Denn schon länger bekannt war: Sieht man normal, dominiert das Auge die Wahrnehmung, Experten sprechen von „visual capture“. Ernsts Versuch zeigte jedoch: Es liegt nicht am Sehen an sich, sondern an der Qualität der Eindrücke. Unter normalen Umständen liefert das Auge schlicht die zuverlässigere Information. Je ungenauer der Proband dagegen sieht, desto größer wird der Einfluss des Tastsinns.

Das Gehirn als „Black Box“

Ernsts Fazit: „Das Gehirn nimmt alle Informationen und rechnet sie zusammen. Es wirft nicht eine Information weg, bloß weil sie schlechter erscheint“ – vielmehr werde diese Information entsprechend schwächer gewichtet. Diese „Verrechnung“ im Gehirn kann Ernst in mathematische Formeln fassen, die für Fachleute alte Bekannte sind: „Das Gehirn tut genau das, was auch ein Ingenieur machen sollte, wenn er verschiedene Messinformationen vom selben Objekt hat“, sagt er: „Es nutzt die Informationen statistisch optimal.“

Wie das neurobiologisch vonstattengehen könnte, diese Frage überlässt Ernst anderen. Ihn selbst interessiert nicht der Prozess der Verarbeitung oder seine neuronale Grundlage, sondern nur das Ergebnis. „Black Box Analysis“ nennt er diese Herangehensweise: Wie es im Kasten aussieht, welche Schaltkreise von Nervenzellen diese Berechnung ermöglichen, ist egal – von Interesse ist nur, wie der Kasten auf bestimmten Input reagiert. Dennoch zieht Marc Ernst daraus auch gewisse Rückschlüsse auf die Verarbeitung: „Unser Gehirn gaukelt uns eine Eins-zu-eins-Abbildung der Umwelt nur vor“, sagt er.

Wie bewegen sich Menschen, wenn sie sich in einer Umgebung ohne Orientierungspunkte befinden? Dieser Frage ging Marc Ernst im Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik mit Hilfe eines speziellen Laufbands nach. Copyright: Tina Weidgans
Wie bewegen sich Menschen, wenn sie sich in einer Umgebung ohne Orientierungspunkte befinden? Dieser Frage ging Marc Ernst im Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik mit Hilfe eines speziellen Laufbands nach. Copyright: Tina Weidgans
Zusammen mit Kollegen konnte Ernst nachweisen, dass die These von der statistisch optimalen Verrechnung bei der Wahrnehmung in ganz verschiedenen Kontexten gilt. Etwa bei dem Versuch, Menschen ohne Orientierungspunkte und Hilfsmittel geradeaus laufen zu lassen. Ernst probierte das in der Wüste, konstruierte dann aber – in Tübingen, wo er früher forschte – ein quasi unendlich großes Lauflabor, um die Bedingungen besser kontrollieren zu können: Der Proband setzt eine Display-Brille auf und geht durch eine computergenerierte virtuelle Umgebung. Dabei steht er auf einem Laufband, das sich in alle Richtungen bewegen kann und ihn so immer wieder in die Mitte zurücktreibt – um zu verhindern, dass er irgendwann gegen die Laborwand läuft.

Bewegungs-Kalibration

„Die gängige Vorstellung ist ja, dass man Kreise läuft, weil das stärkere Bein längere Schritte macht“, sagt Ernst. „Aber das ist falsch.“ Körperwahrnehmung und Gleichgewichtssinn arbeiten ungenau, was normalerweise kein Problem ist, wenn das Auge Orientierungspunkte hat und die Fehler so ausgleichen kann. Fällt diese Korrektur weg, schaukeln sich die statistisch-zufälligen Ungenauigkeiten aber auf. In der Folge läuft man unregelmäßige Kreise, durchschnittlich etwa 30 Meter groß – mal in die eine, mal in die andere Richtung.

Wie Auge und Bewegung zusammenhängen, kann Ernst aber auch mit einer Dartscheibe demonstrieren. Der Besucher muss eine Prismenbrille aufsetzen, die das Gesichtsfeld nach links verrückt. Daraufhin landen alle Pfeile weit links von der Scheibe. Nach zehn oder zwanzig Versuchen gewöhnt sich das Gehirn aber an die neuen Umstände. „Es rekalibriert“, sagt Ernst. Allmählich trifft man wieder so gut wie sonst – bis man die Brille wieder absetzt und eine neue Rekalibration nötig wird. Ernst schwärmt, dieser Vorgang erfolge „auf eine Weise, wie es ein Ingenieur nicht besser entwerfen könnte“. Denn eine zu schnelle Umstellung wäre nicht sinnvoll: Erst nach einer gewissen Zahl von Pfeilen, die alle weit links des Ziels gelandet sind, ist ja hinreichend sicher, dass ein systematischer und kein zufälliger Fehler vorliegt.

Anpassung an die Statistik der Umwelt

Nicht immer reichen jedoch die aktuellen Sinnesinformationen für eine schlüssige Interpretation aus. Dann kommt Vorwissen ins Spiel. Beeindruckend zeigt sich das in einem Selbstversuch: Wenn sich eine Hohlmaske, etwa eine von Charlie Chaplin, in einem Video langsam dreht, scheint man sowohl von vorn als auch von hinten ein normales Gesicht zu sehen, mit der Nase als dem Punkt, der dem Betrachter am nächsten ist. „Der räumliche Eindruck entsteht hier durch die Schattierungen, und die sind zweideutig“, sagt Ernst. „Unser Gehirn muss also eine Vorannahme machen. Und da wirkt sich aus, dass wir sehr viel Erfahrung mit Gesichtern haben und wenig mit Hohlgesichtern.“

Dieses Bild zeigt einen Meteor-Krater in Arizona. Dass es sich um eine Mulde und nicht um einen Hügel handelt, schließen wir aus dem von oben einfallenden Licht. Dreht man das Bild um, wird die Zuordnung etwas schwieriger. Copyright: Lunar and Planetary Institute
Dieses Bild zeigt einen Meteor-Krater in Arizona. Dass es sich um eine Mulde und nicht um einen Hügel handelt, schließen wir aus dem von oben einfallenden Licht. Dreht man das Bild um, wird die Zuordnung etwas schwieriger. Copyright: Lunar and Planetary Institute
Neben aktuellen Sinneseindrücken fließt also in die Wahrnehmung ganz unbewusst auch Erfahrung ein. Die „Statistik der Umwelt“, nennt es Ernst: Wir erwarten das, was wir kennen, und diese Erwartung beeinflusst die Wahrnehmung. Aber ein Umlernen ist möglich. So sind wir durch die Sonne gewohnt, dass Licht von oben kommt, und interpretieren auch Fotos entsprechend. Ernst jedoch schaffte es, seinen Probanden diese Sehgewohnheit vorübergehend abzutrainieren. Ebenso sind wir rechte Winkel gewohnt: Entsteht auf unserer Netzhaut etwa ein schiefwinkliges Bild eines Fensters, interpretieren wir das perspektivisch, als schräge Blickrichtung aufs Fenster. Ernst hat virtuelle Welten ohne rechte Winkel konstruiert, um zu sehen, ob seine Probanden umlernen – und berichtet: „Nach ein, zwei Stunden Training konnten sie aus Winkeln allein keine Tiefe mehr interpretieren.“

Daraus zieht Ernst quasi nebenbei einen philosophischen Schluss. Wenn Wahrnehmung von individuellen Vorerfahrungen abhänge, bedeute das schließlich: „Die Wahrnehmung jedes Menschen wird unterschiedlich sein.“

Korrelation und Kausalität

In Zukunft will Marc Ernst sich noch mehr auf den Faktor Zeit konzentrieren, um sich von seinen bisher sehr statischen Modellen mehr in Richtung des normalen Lebens zu bewegen: „Die Welt ist schließlich dynamisch.“ In seiner aktuellsten Studie geht es deshalb um das Thema Gleichzeitigkeit. „Wie entscheidet das Gehirn, ob etwa ein Lichtblitz und ein Knall auf dasselbe Ereignis zurückgehen?“, beschreibt Ernst die Frage. Auch hier geht es ganz klar um die Integration verschiedener Sinneskanäle. Und die Antwort sei gar nicht so einfach, wie man zunächst denke: Angesichts unterschiedlicher Signallaufzeiten – Licht ist schneller als Schall – und unterschiedlicher Verarbeitungszeiten von Seh- und Hörsinn lasse sich nämlich nicht ohne Weiteres feststellen, ob Blitz und Knall gleichzeitig stattfanden.

Wenn möglich, das konnten Ernst und Kollegen Ende 2011 zeigen, behilft sich das Gehirn mit Korrelationen in der zeitlichen Abfolge. Die Forscher sind überzeugt: Nach diesem Schema schaffen wir es beispielsweise auf lauten Partys, Personen und Stimmen einander zuzuordnen. Aber auch dieses Ergebnis bietet Stoff für philosophische Diskussionen. Es bedeutet nämlich, dass unser Gehirn bei der Wahrnehmung regelhaft das macht, wovor Logiker immer warnen: Aus der bloßen Korrelation, also einer statistischen Beziehung zweier Phänomene, auf deren ursächlichen Zusammenhang zu schließen.

Das Wichtigste in Kürze

  • Auf Grundlage verschiedener Sinnesinformationen, die von Signalrauschen betroffen, oft unvollständig und mitunter sogar widersprüchlich sind, erzeugt das Gehirn ein klares, einheitliches Bild unserer Umwelt.
  • Wie die Versuche von Marc Ernst und Kollegen zeigen, verrechnet das Gehirn die verfügbaren Informationen dabei auf mathematisch-statistisch optimale Weise.
  • Reichen die aktuellen Sinnesdaten nicht aus, kommen Vorannahmen zum Tragen, die auf der Statistik unserer Umwelt beruhen. Verändert sich die Umwelt, kann das Gehirn flexibel umlernen.

zum Weiterlesen:

  • Ernst, M. et al.: CyberWalk: Enabling unconstrained omnidirectional walking through virtual environments. ACM Transactions on Applied Perception. 2011; 8(4) (zum Abstract).
  • Parise, C. et. al.: When Correlation Implies Causation in Multisensory Integration. Current Biology 2011; 22(1):46-49 (zum Abstract).
  • Souman J.L. et al.: Walking Straight Into Circles. Current Biology. 2009; 19:1538–1542 (zum Abstract).
Infos zum Beitrag:
Autor:
Ulrich Pontes
Datum:
05.03.2012
Schlagwörter:
Auge
Fühlen
Hirnforschung
Illusion
Lernen
Wahrnehmung
Wissenschaftliche Betreuung:
Prof. Dr. Frank Bremmer
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