Weinkenner erkennen am ersten Schluck den Jahrgang, Künstler sehen winzige Farbabweichungen und Blinde unterscheiden feinste Oberflächenstrukturen. Diese außergewöhnlichen Fähigkeiten werfen die Frage auf, wie das Gehirn Wahrnehmungsprozesse steuert und wie diese durch Übung und Erfahrung verfeinert werden können. Dieser Artikel beleuchtet die komplexen Mechanismen der Wahrnehmungsentstehung im Gehirn, basierend auf aktuellen wissenschaftlichen Erkenntnissen.
Die Rolle des Gehirns bei der Wahrnehmung
Die Wahrnehmung ist ein aktiver Prozess, bei dem das Gehirn sensorische Informationen aus der Umwelt interpretiert und in eine subjektive Erfahrung umwandelt. Dabei spielen verschiedene Hirnareale eine entscheidende Rolle, von der Aufnahme der Sinnesreize bis hin zur bewussten Wahrnehmung.
Sensorische Reize und ihre Umwandlung
Spezielle Neurone in Augen, Ohren und anderen Sinnesorganen wandeln sensorische Reize in elektrische Signale um und leiten sie dann an die entsprechenden Teile der Hirnrinde weiter. Diese wandeln sensorische Reize in elektrische Signale um und leiten sie dann an die entsprechenden Teile der Hirnrinde weiter. Diese verarbeitet die eingehenden Daten und löst die Wahrnehmung aus. Die eingehenden Daten werden verarbeitet, was die Wahrnehmung auslöst.
Die Bedeutung des Sehvermögens
Menschen sind vor allem sehende Wesen. Unser Sehvermögen erlaubt es uns, schnell eine Fülle an Informationen über verschiedene Aspekte unserer Welt zu erhalten: die räumliche, dreidimensionale Anordnung unserer Umgebung, die Entfernung zu Objekten in greifbarer Nähe, die Reflexionseigenschaften von Oberflächen, unsere eigene Geschwindigkeit und die uns umgebender Objekte, die Identitäten und sogar die Emotionen anderer Leute - und all das in einem einzigen Augenblick. Folglich wiegt kein anderer Sinnesverlust schwerer als Blindheit. Es ist daher kein Zufall, dass ein Hauptinteresse der Neurowissenschaft dem Verständnis der Funktion der dem Sehsinn dienenden neuronalen Substrate gilt, welche erstaunliche 30 bis 40 Prozent der Gesamtoberfläche des zerebralen Kortex einnehmen. Dabei spielt auch die Hoffnung eine Rolle, dass sich Erkenntnisse aus Untersuchungen des visuellen Systems auf andere neuronale Systeme des Gehirns übertragen lassen.
Visuelle Reize und Bewegung
Im wirklichen Leben stehen visuelle Reize kaum einmal still, und zwar aus zwei Gründen: Zum einen führen unsere Augen, unser Kopf und unser Körper zu praktisch unaufhörlichen Bewegungsreizen, zum anderen gibt es unabhängig davon die „reale“ Bewegung der Objekte um uns herum. Die Untersuchung der Prozessierung visueller Bewegung und der Eigenbewegung mittels fMRI am Menschen in Zusammenarbeit mit der Abteilung Bülthoff repräsentiert einen Teil unserer Anstrengungen zur Identifizierung und Charakterisierung der Eigenschaften, der Konnektivität und der kausalen Einbindung verschiedener höherer Hirnregionen, die Bewegung prozessieren und die diese unterschiedlichen Bewegungssignale voneinander trennen, was es uns ermöglicht, eine stabile Welt wahrzunehmen.
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Farbe und Bewegung
Informationen über die Farbe ergänzen Informationen über Bewegungsreize, auch wenn beide völlig unabhängig voneinander sind. Es wurde gezeigt, dass Farbe und Bewegung in weitgehend unabhängigen Bahnen des Kortex prozessiert werden. Dadurch ergibt sich das „Bindungsproblem“: Wie werden unterschiedliche visuelle Reize allem Anschein nach von uns perfekt zusammen wahrgenommen, wenn sie doch unabhängig voneinander prozessiert werden?
Wahrnehmung und Lernen
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Charité - Universitätsmedizin Berlin, des Bernstein Zentrums Berlin, des Exzellenzclusters NeuroCure und der Otto-von-Guericke Universität Magdeburg haben herausgefunden, welche Bereiche des Gehirns besonders aktiv sind, wenn man seine Wahrnehmung schult. Nicht durch das visuelle Verarbeiten von immer mehr Details wird man zum Experten, sondern durch die Fähigkeit, Feinheiten immer besser zu unterscheiden. Die Forscherinnen und Forscher aus der Arbeitsgruppe von Prof. John-Dylan Haynes, Leiter des Berlin Center for Advanced Neuroimaging an der Charité, haben gemeinsam mit ihren Magdeburger Kollegen am Beispiel visueller Reize untersucht, wie sich die Hirnaktivität im Laufe des Lernprozesses verändert. Dafür maßen sie Änderungen der Nervenzellaktivität im Gehirn mit Hilfe der funktionellen Magnetresonanztomografie (fMRT). Ihre Überlegung lautete: Beruht der Lerneffekt vor allem auf einer detaillierteren Darstellung der Reize, so sollte in erster Linie das Sehzentrum aktiv sein. Ist hingegen die Interpretation der Reize im Gehirn der Grund für die Fortschritte der Lernenden, so sollte sich das in den Bereichen zeigen, die für Entscheidungen eine Rolle spielen.
Die Rolle des Präfrontalen Kortex
Die fMRT-Messungen zeigten deutlich, dass die Aktivität im Sehzentrum während des gesamten Lernvorgangs gleich blieb. Eine Region im Präfrontalen Kortex aber, die bei der Interpretation von Reizen eine wichtige Rolle spielt, wurde stetig aktiver. Daraus schlossen die Forscher, dass der Lernvorgang auf der Ebene der Entscheidungsfindung stattfindet. „Wenn sich unsere Wahrnehmung beim Lernen schärft, dann liegt dies nicht so sehr daran, dass mehr Information das Gehirn erreicht“, folgerte Prof. Haynes. „Stattdessen lernen wir, mit der gegebenen Information immer mehr anzufangen. Wir sehen nach und nach in Bildern Details, die uns zu Beginn nicht bewusst sind.“
Wahrnehmung ist selektiv
Wahrnehmung ist immer selektiv: Das Gehirn entscheidet ständig, welche Informationen wichtig genug sind, um ins Bewusstsein vorgelassen zu werden. Ein internationales Forschungsteam hat nun untersucht, welche Gehirnaktivitäten mit Änderungen in der subjektiven Wahrnehmung einhergehen, und dabei charakteristische Muster von Gehirnwellen im präfrontalen Cortex gefunden.
Bewusste Wahrnehmung und Gehirnwellen
Sehen und Wahrnehmen sind zwei verschiedene Dinge: Ein Großteil der Informationen, die permanent von den Sinnesorganes ins Gehirn strömen, wird nicht bewusst verarbeitet. Komplexe Mechanismen filtern die eingehende Sinnesinformation und gestalten das Bild der Welt, das in unseren Köpfen entsteht. Ein gutes Beispiel dafür ist das Phänomen der binokularen Rivalität: Wenn dem rechten Auge ein Apfel und gleichzeitig dem linken Auge eine Rose gezeigt wird - was beispielsweise mit Hilfe einer Spiegelkonstruktion möglich ist -, können wir niemals beide Objekte gleichzeitig wahrnehmen. Vielmehr sehen wir manchmal bewusst die Rose, dann wieder den Apfel. Die Wahrnehmung wechselt spontan, ohne Einfluss äußerer Reize, vom einen zum anderen Objekt. Das wirft die Frage auf, welche Mechanismen am Werk sind, wenn das Bewusstsein umschaltet.
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Gehirnwellen im präfrontalen Cortex
Max-Planck-Forscher haben nun zur Aufklärung dieser Frage beigetragen: Anhand der Gehirnwellen im präfrontalen Cortex, einem Bereich der Großhirnrinde, der für komplexe Verhaltensweisen wie Entscheidungsfindung und Problemlösung wichtig ist, lassen sich die Wechsel in der Wahrnehmung vorhersagen. Gehirnwellen sind im gesunden Gehirn immer präsent; sie entstehen dadurch, dass Gruppen von Neuronen ihre Aktivität synchronisieren. Betawellen beispielsweise werden üblicherweise mit aktivem Nachdenken und Konzentration in Verbindung gebracht, während gewisse langsamere Wellen eine wichtige Rolle für Schlaf und Erholung spielen. „Wir haben typische Muster gefunden, wie sich die Aktivität im Bereich von niedrigfrequenten (1 bis 9 Hertz) und Betawellen (20 bis 40 Hertz) unmittelbar vor einem Wahrnehmungswechsel ändert“, sagt Abhilash Dwarakanath, der vormals in der Abteilung Physiologie kognitiver Prozesse am Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik in Tübingen arbeitete und nun am Institut NeuroSpin in Paris arbeitet. Gemeinsam mit Vishal Kapoor, der ebenfalls in Logothetis’ Team war und nun Projektleiter am International Center for Primate Brain Research in Shanghai ist, war Dwarakanath federführend bei der Interpretation der Daten, die aus elektrophysiologischen Messungen an Makakenaffen stammen.
Infragestellung einer neurowissenschaftlichen Auffassung
Die Ergebnisse stellen eine weitverbreitete neurowissenschaftliche Auffassung in Frage. Im primären visuellen Cortex, wo die visuellen Rohdaten zuerst ankommen, sind manche Neuronen ausschließlich für Informationen aus einem der beiden Augen zuständig. Bislang führten Forschende die Wahrnehmungswechsel darauf zurück, dass diese Neuronen miteinander im Wettstreit liegen und um Aufmerksamkeit konkurrieren. „Man glaubte lange, dass die Impulse einzelner Neuronen ausschlaggebend für bewusste Wahrnehmung seien“, sagt Dwarakanath. „Doch nun stellt sich heraus, dass die langsamen Schwingungen größerer Gehirnregionen die eigentliche Arbeit erledigen; sie entscheiden als Türhüter, welche Sinnesinformation Zugang zu unserem Bewusstsein bekommt.“
Weiterentwicklung einer Bewusstseinstheorie
Dwarakanath betont, es sei unmöglich, Bewusstseinsinhalte aus den Gehirnwellen abzulesen: „Wir können nur sagen, dass das ein bestimmtes Muster der Wellen verlässlich von einem Wechsel in der Wahrnehmung gefolgt wird; Bewusstseinsinhalte können wir aus den Wellen nicht dekodieren.“ Weiter gibt er zu bedenken, es sei unmöglich, aus den Daten abzuleiten, ob die Gehirnwellenmuster den Wechsel verursachen oder ob sie ihm lediglich vorangehen.
Die Ergebnisse berührt eine tiefergreifende Frage, über die in Philosophie und Neurowissenschaft gleichermaßen gestritten wird: Wie können bewusste Erfahrungen im Gehirn entstehen? Theofanis Panagiotaropoulos, der das Projekt konzipierte und leitete, nennt die neuen Ergebnisse eine „Verfeinerung der Globalen Arbeitsraumtheorie“, einer Bewusstseinstheorie, die dem präfrontalen Cortex eine zentrale Rolle zuschreibt. Panagiotaropoulos ist an einem großangelegten Kollaborationsprojekt beteiligt, das die beiden konkurrierenden Haupttheorien des Bewusstseins gegeneinander testet.
Informationsverarbeitung und neuronale Schaltkreise
Damit wir aktuelle Sinneseindrücke mit unserem Wissen und unseren Erinnerungen kombinieren können, laufen in unserem Gehirn Informationen aus verschiedenen Arealen zusammen. Doch wie schaffen es die neuronalen Schaltkreise, die eingehenden Informationen zu koordinieren und immer wieder neue Verbindungen einzugehen? Diese Frage haben Forscher nun an Mäusen untersucht. Wenn unser Gehirn Informationen verarbeitet, vernetzen sich verschiedene Hirnareale. Dabei geben die beteiligten Nervenzellen ihre elektrischen Signale in einer bestimmten Frequenz weiter und schaffen so einen gemeinsamen Rhythmus. Die bewusste Wahrnehmung wird mit Hirnwellen schneller Frequenz in Verbindung gebracht, den sogenannten Gammawellen. Frühere Forschungen haben bereits gezeigt, dass jeweils bestimmte Zelltypen dafür zuständig sind, bestimmte Frequenzen zu erzeugen. Mit dieser Frage hat sich nun ein Team um Ece Sakalar von der Medizinischen Universität Wien in Österreich beschäftigt. Um die Hirnzellen bei der Arbeit zu beobachten, fixierten die Forscher den Kopf von wachen Mäusen und maßen die Aktivität ihrer Nervenzellen im sogenannten CA1-Bereich des Hippocampus, einer zentralen Schaltstelle des Gehirns.
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Neurogliaformzellen als "Ampel" im Informationsfluss
„Diese Zellen identifizierten wir als Neurogliaformzellen“, berichten die Forscher. Dabei handelt es sich um einen Zelltyp, dessen Funktion bislang noch nicht geklärt war. Auf diese Weise kann das Gehirn quasi zwischen verschiedenen Eingangskanälen umschalten - ähnlich wie wir beim Radio verschiedene Sender auswählen können. Die Forscher vermuten, dass eben dieser Mechanismus uns ermöglicht, Sinneswahrnehmungen mit Erinnerungen zu verknüpfen und sie zugleich unterscheiden zu können. Die störungsfreie Regulation der verschiedenen Informationsflüsse ist eine Grundlage für ein funktionierendes Nervensystem. Bei verschiedenen neuropsychiatrischen Erkrankungen wie Schizophrenie oder Autismus kommt es bei der Abstimmung der Hirnwellen jedoch zu Fehlern. Daher verschwimmt zum Beispiel bei Schizophrenie-Patienten die Abgrenzung zwischen den eigenen Gedanken und den Eindrücken aus ihrer Umwelt. Die Erkenntnis, dass die Neurogliaformzellen eine Art Ampel im Verkehrsfluss der Informationen darstellt, könnte womöglich neue Behandlungsansätze für diese Erkrankungen eröffnen.
Subjektive Wahrnehmung und neuronale Aktivität
Neben der Untersuchung neuronaler Reaktionen, die durch Veränderungen der physischen Stimuli hervorgerufen werden, gehört es zu den fundamentalen Zielen der Neurowissenschaft, subjektive Wahrnehmungserfahrungen mit objektiven Messungen neuronaler Aktivität in Beziehung zu setzen. Bistabile Perzepte im allgemeinen und binokulare Rivalität im besonderen sind dafür ideale Ausgangspunkte, da sich hier die subjektiven Perzepte mit der Zeit verändern, auch wenn die physische Stimulation konstant bleibt. Bei der binokularen Rivalität werden den beiden Augen zwei unterschiedliche Bilder präsentiert, was zu Perzepten führt, die zwischen den beiden alternieren. Das Interesse an diesem Phänomen aus neurowissenschaftlicher Perspektive ist ganz einfach: Wenn wir verstehen, welche neuronalen Prozesse für die Auswahl der wahrgenommenen (dominanten) Stimulusrepräsentation statt der nicht wahrgenommenen (unterdrückten) verantwortlich sind, sind wir wohl einen Schritt näher am Verständnis der Mechanismen hinter der bewussten visuellen Wahrnehmung.
Bistabile Wahrnehmungsphänomene
Hinzu kommen weitere Gründe, die die Untersuchung der binokularen Rivalität interessant machen: Die stochastische Natur der Wahrnehmungsbergänge bei Rivalität ähnelt der bei vielen anderen bistabilen Wahrnehmungsphänomenen, z. B. bei einem Vase/Gesichter-Kippbild oder bei Phänomenen, die in anderen Sinnesmodalitäten, z. B. beim Fühlen oder beim Hören, auftauchen. Wahrnehmungsübergänge und die stabilen Phasen dazwischen sind also vielleicht Indikatoren von dynamischen Eigenschaften, die ganz allgemein hinter der sensorischen Prozessierung stecken.
Untersuchung der Mechanismen der Wahrnehmungsunterdrückung
Die Bedeutung der oben angeschnittenen Fragen bringt uns dazu, das Problem auf unterschiedlichen Ebenen der visuellen Prozessierungshierarchie zu untersuchen, unter Einsatz einer Vielfalt methodologischer Ansätze. Das Projekt zur Untersuchung der Mechanismen der Wahrnehmungsunterdrückung im primären visuellen Kortex deckt die kleinen, möglicherweise jedoch höchst wichtigen Wahrnehmungsmodulationen in den frühesten Stadien der visuellen Prozessierung auf. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt ist noch unklar, ob diese lokal auftreten oder aber als Ergebnis eines Feedbacks von höheren oder höchsten Ebenen der Prozessierung, wo sich viel stärkere Wahrnehmungsmodulationen beobachten lassen, wie bei den Untersuchungen zur den Neurophysiologischen Mechanismen der binokularen Rivalität im präfrontalen Kortex des Makaken. Teilweise beantwortet wird diese Frage durch die psychophysischen Belege in Experimenten zur binokularen Rivalität und deren Zeitabhängigkeit von Beiträgen des Auges und des Stimulus. Diese Untersuchung zeigt, dass die Stärke monokularer, d. h. vom Auge ausgehender Beiträge zum Perzept exakt mit der Stärke der Bildrepräsentationen kovariiert, was eine Kopplung beider mittels Feedback nahe legt. Ein Vergleich zwischen interokularem Wechsel und klassischer binokularer Rivalität im menschlichen Gehirn mittels EEG liefert Beweise für Unterschiede in der stabilen Wahrnehmung beim Betrachten eindeutiger bzw. zweideutiger Stimuli. Interessanterweise lassen sich unter diesen Bedingungen auch Unterschiede der oszillatorischen Leistung im präfrontalen Kortex identifizieren. Und schließlich versuchen wir auch dadurch neue Einblicke in die Mechanismen bistabiler Wahrnehmung zu bekommen, indem wir neuronale Daten für Rechenmodelle nutzen.
Herausforderungen bei der Bestimmung von Wahrnehmungskorrelaten
Die oben genannten Studien liefern erste Hinweise auf die Mechanismen hinter Wahrnehmungswechseln und der Aufrechterhaltung stabiler Perzepte. Es ist eine fundamentale Herausforderung, nicht nur die psychophysischen und physiologischen Korrelate der Wahrnehmung zu bestimmen, sondern auch zwischen neuronalen Prozessen, die sie verursachen, und neuronalen Prozessen, die daraus resultieren, zu unterscheiden.
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