Das menschliche Gehirn ist ein unglaublich komplexes Organ, dessen Funktionsweise noch immer viele Rätsel aufgibt. Die visuelle Wahrnehmung, also die Fähigkeit, Bilder zu sehen und zu interpretieren, ist ein besonders faszinierender Aspekt. Wie werden optische Signale in Nervenimpulse umgewandelt, analysiert und zu einem kohärenten Bild der Welt zusammengefügt? Dieser Artikel beleuchtet die wissenschaftlichen Erkenntnisse zur Entstehung von Bildern im Gehirn und gibt Einblicke in die beteiligten Prozesse und Hirnregionen.
Die Netzhaut: Das Tor zur visuellen Welt
Der Prozess der Bildentstehung beginnt in der Netzhaut (Retina) des Auges. Hier befinden sich Millionen von lichtempfindlichen Zellen, die sogenannten Fotorezeptoren. Diese wandeln Licht in elektrische Signale um, die dann an das Gehirn gesendet werden.
Die Netzhaut enthält verschiedene Arten von Ganglienzellen, die jeweils auf unterschiedliche Aspekte des visuellen Reizes spezialisiert sind. Einige Ganglienzellen sind beispielsweise für die Verarbeitung von Farben zuständig, während andere Bewegungen oder Kontraste erkennen. Diese parallele Verarbeitung des Seheindrucks beginnt also bereits in der Netzhaut.
Der Weg ins Gehirn: Vom Auge zur Sehrinde
Die elektrischen Signale der Ganglienzellen werden über den Sehnerv zum Gehirn weitergeleitet. Eine wichtige Zwischenstation ist der seitliche Kniehöcker (Corpus Geniculatum Laterale, CGL), eine Struktur im Thalamus. Der CGL dient als Umschaltstation zwischen Netzhaut und primärer Sehrinde (V1) und ist der Ursprung der parvozellulären und magnozellulären Bahnen. Diese Bahnen sind spezialisiert auf die Verarbeitung unterschiedlicher visueller Informationen:
- Parvozelluläre Bahn: Verarbeitet vor allem Informationen über Farben und feine Details.
- Magnozelluläre Bahn: Verarbeitet vor allem Informationen über Bewegungen und Kontraste.
Die primäre Sehrinde (V1): Die erste Analyse
Die primäre Sehrinde (V1) im Okzipitallappen ist das erste kortikale Areal, das visuelle Informationen empfängt. Hier beginnt die eigentliche Analyse des Gesehenen. V1 ist schichtweise aufgebaut, wobei die parvozelluläre und magnozelluläre Bahnen in unterschiedliche Schichten projizieren.
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Innerhalb der V1 gibt es funktionelle Säulen von Nervenzellen, die auf bestimmte Reize reagieren. Einige Säulen sind beispielsweise auf die Erkennung von Linien in einer bestimmten Orientierung spezialisiert (horizontal, vertikal, schräg).
Höhere Gehirnareale: Spezialisierung und Integration
Von der primären Sehrinde werden die visuellen Informationen an höhere Gehirnareale weitergeleitet, wo sie weiterverarbeitet und integriert werden. Zwei wichtige Verarbeitungsbahnen sind:
- Dorsale Verarbeitungsbahn ("Wo"-Bahn): Leitet Informationen zum Scheitellappen (Parietallappen) und ist zuständig für die Lokalisation von Objekten im Raum und die Verarbeitung von Bewegungen.
- Ventrale Verarbeitungsbahn ("Was"-Bahn): Leitet Informationen zum Schläfenlappen (Temporallappen) und ist zuständig für die Objekterkennung und die Identifizierung von Formen, Farben und Gesichtern.
Innerhalb dieser höheren Gehirnareale gibt es spezialisierte Neuronengruppen, die auf bestimmte Teilaufgaben spezialisiert sind. So gibt es beispielsweise im Schläfenlappen Neuronengruppen, die besonders sensibel auf Gesichter reagieren (Gyrus fusiformis) oder für die Erkennung von Körperteilen (FBA) zuständig sind, während im parahippocampalen Ortsareal (PPA) Bilder von Gebäuden verarbeitet werden. V4 ist vor allem für Farbe zuständig und enthält viele farbselektive Zellen; der medio-temporale Cortex verarbeitet Bewegung und enthält viele richtungssensitive Neurone.
Die Rolle von Lernen und Erfahrung
Die visuelle Wahrnehmung ist nicht nur ein passiver Prozess der Informationsverarbeitung, sondern auch stark von Lernen und Erfahrung geprägt. Unser Gehirn lernt, Muster zu erkennen und Objekte zu identifizieren, indem es visuelle Reize mit bereits gespeicherten Informationen vergleicht.
Zum Beispiel können Ärzte auf Röntgen- oder Ultraschallbildern viel schneller die entscheidenden Einzelheiten entdecken als jemand, der diese Fertigkeit nie geübt hat. Dies liegt daran, dass ihr Gehirn gelernt hat, bestimmte Muster und Strukturen in den Bildern zu erkennen, die für die Diagnose relevant sind.
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Auch die Fähigkeit, zweidimensionale Abbilder in dreidimensionale Objekte "zurückzuübersetzen", ist ein Ergebnis von Lernen und Erfahrung. Hinter dem zweidimensionalen Bild eines Gegenstandes können sich theoretisch verschiedene dreidimensionale Objekte verbergen. Das Gehirn entscheidet sich oft für die einfachste beziehungsweise uns am besten bekannte Interpretation. Dabei berücksichtigt es neben der Erfahrung auch Fakten wie den Lichteinfall und Schatten.
Optische Täuschungen: Wenn das Gehirn irrt
Optische Täuschungen sind ein faszinierendes Beispiel dafür, wie das Gehirn visuelle Informationen verarbeitet und interpretiert. Sie entstehen, wenn dem Gehirn zu wenige oder mehrdeutige Hinweise zur Interpretation des Gesehenen geliefert werden.
Ein bekanntes Beispiel ist das Kanisza-Dreieck, bei dem ein Dreieck wahrgenommen wird, obwohl es in Wirklichkeit nicht vorhanden ist. Das Gehirn ergänzt die fehlenden Informationen und konstruiert ein vollständiges Bild, das jedoch nicht der Realität entspricht.
Die Integration verschiedener Sinne
Die visuelle Wahrnehmung ist eng mit anderen Sinnesmodalitäten verbunden. Das Gehirn integriert Informationen aus verschiedenen Sinnesorganen, um ein umfassendes Bild der Umgebung zu erhalten.
Wenn beispielsweise ein Gegenstand beim Berühren größer wirkt als er aussieht, misst der Wahrnehmungsapparat der haptischen Information mehr Bedeutung bei als der visuellen Information und bildet einen recht zuverlässigen Durchschnittswert.
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Die beiden parallelen Verarbeitungsströme treffen letztendlich im Stirnlappen erneut zusammen. Zudem gleicht das Gehirn die Analyse auch mit Information aus anderen Ebenen ab: Etwa den Eindrücken aus Hör- und Gleichgewichtssystem, dem Tast- oder dem Riechsinn. Zusätzlich existieren Verschaltungen zu unspezifischen Hirnarealen, die nicht direkt von sensorischen oder motorischen Systemen „befüttert“ werden. Hier passiert zum Beispiel das Einordnen von Eindrücken in Kategorien - etwa, dass sowohl ein Schaukelstuhl, als auch ein Liegestuhl genauso wie ein Puppenfahrradsitz Gegenstände zum Sitzen sind.
Die Bedeutung von Bildern im Journalismus
Bilder spielen eine wichtige Rolle im Journalismus, da sie Informationen schnell und effektiv vermitteln können. Sie können eine Geschichte mit Bedeutung anreichern, sie glaubwürdiger machen und Emotionen hervorrufen.
Allerdings ist es wichtig, Bilder im Journalismus sorgfältig und verantwortungsbewusst auszuwählen und zu verwenden. Stereotype Darstellungen, einseitige Perspektiven oder die Verwendung von Bildern, die nicht zum Thema passen, können das Publikum verwirren oder sogar schädigen.
Journalistinnen und Journalisten sollten sich bewusst sein, dass Bilder starke körperliche Reaktionen hervorrufen können, und bei ihrer Berichterstattung auf diejenigen Rücksicht nehmen, die von traumatischen Ereignissen betroffen sind. Warnhinweise vor verstörenden Bildern oder die Verwendung von verschwommenen oder verpixelten Bildern können dazu beitragen, negative Auswirkungen zu minimieren.
Die Nachbildung von Wahrnehmungsprozessen in elektronischen Schaltkreisen
Um die Funktionsweise des Gehirns besser zu verstehen, versuchen Wissenschaftler, die biologische Informationsverarbeitung technisch nachzubilden. Am Beispiel optischer Täuschungen haben Forschende gezeigt, wie sich Wahrnehmungsprozesse in einem elektronischen Schaltkreis aus nanoelektronischen Bauelementen nachbilden lassen.
In der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlichten sie ihre Ergebnisse.
Der Schlüssel, um beide Lesarten des Bildes zu sehen, ist Aufmerksamkeit. Es ist eines der zentralen Prinzipien, nach dem unser Gehirn arbeitet. Denn auf was wir unsere Wahrnehmung fokussieren, formt unser Bild der Realität.
Um die Prozesse bei der Informationsverarbeitung im Gehirn nachzuvollziehen, entwickelte das Kieler Forschungsteam einen elektronischen Schaltkreis aus Oszillatoren. Diese Schaltung erzeugt periodische Spannungsimpulse in Echtzeit und funktioniert damit ähnlich wie Neuronen im Gehirn. Die Forschenden verwendeten spezielle nanoelektronische Bauelemente, mit denen sich die Oszillatoren verknüpfen und somit synchronisieren lassen. Diese Bauelemente werden als „Memristoren“ bezeichnet (von englisch „memory“ für Gedächtnis und „resistor“ für Widerstand). Sie sind in der Lage, elektrische Zustände zu speichern, ähnlich der Prozesse im Gehirn, die beim Verknüpfen von Informationen ablaufen.
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