Farben sind ein integraler Bestandteil unserer visuellen Erfahrung und spielen eine entscheidende Rolle in unserer Wahrnehmung der Welt. Doch wie nimmt unser Gehirn Farben wahr? Welche Prozesse laufen dabei ab? Und warum nehmen Menschen Farben unterschiedlich wahr? Diesen Fragen widmen wir uns in diesem Artikel.
Einheitliche Verarbeitungsmuster beim Farbensehen
Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik und der Universität Tübingen haben mithilfe bildgebender Verfahren bei Versuchspersonen zeigen können, dass ihre Gehirnaktivität beim Farbensehen ähnlich ist. Diese Aktivitätsmuster ähnelten sich bei allen Testpersonen deutlich, was darauf hinweist, dass das menschliche Gehirn Farben auf vergleichbare Weise verarbeitet. Die Forscher nutzten die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT), um die Gehirnaktivität der Teilnehmenden sichtbar zu machen. Dabei zeigten die Hirnscans charakteristische Muster, die immer dann auftraten, wenn die Personen verschiedene Farben betrachteten.
Die Forscher stellten fest, dass im visuellen Kortex für jede Farbe eine eigene räumliche Karte des Sehfelds besteht. Diese Karten unterscheiden sich zwar von Hirnareal zu Hirnareal, zeigen aber bei allen Menschen das gleiche Grundmuster. Daraus schließen die Wissenschaftler, dass diese Ordnung nicht zufällig ist, sondern während der Evolution entstanden ist und bewahrt wurde.
Für ihre im Journal of Neuroscience veröffentlichte Studie hat das von den Neurowissenschaftlern Michael Bannert und Andreas Bartels geleitete Team ein computergestütztes Auswerteverfahren eingesetzt, mit dem sie anhand der fMRT-Aufnahmen der Testpersonen verlässliche Aussagen treffen konnten, welche Farben und Helligkeiten gesehen werden. Für die Studie kalibrierten die Forschenden die Messdaten der Teilnehmenden zunächst mit standardisierten Schwarz-Weiß-Mustern, um eine Vergleichsbasis zu schaffen. Danach testeten sie, wie sich die Gehirnaktivität veränderte, wenn Farben gezeigt wurden. Die Muster aus einer ersten Versuchsgruppe nutzten sie, um bei einer zweiten Gruppe allein aus den Messdaten zu erkennen, welche Farben betrachtet wurden. Auf diese Weise konnten sie Farbe und Helligkeit direkt aus der Gehirnaktivität dieser zweiten Gruppe ablesen.
„Im Sehzentrum unseres Gehirns sind Karten unseres Blickfelds abgelegt, sogenannte Field Maps. Sie bilden die räumliche Struktur des Gesehenen ab und koordinieren die weitere Verarbeitung mit höheren Hirnarealen. Wenn Licht auf die Netzhaut fällt, werden die Informationen nicht zufällig weitergeleitet. Jeder Punkt hat hier einen genauen Positionswert, und diese räumliche Ordnung wird über die Sehnerven der Netzhaut in die höheren Verarbeitungsebenen des Gehirns übertragen. So entsteht im visuellen Kortex, der Sehrinde unseres Gehirns, ein geordnetes Abbild und ein entsprechendes Aktivitätsmuster, das wir mithilfe von fMRT bewerten konnten“, erklärt Erstautor der Studie, Michael Bannert, das Ergebnis.
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Ursprung in der Evolution begründet
Bisher war bekannt, dass einzelne Bereiche des Sehzentrums im Gehirn bestimmte Aufgaben übernehmen, wie das Erkennen von Gesichtern, Farben oder Bewegung. „Es war bislang jedoch unklar, ob individuelle Farben einen typischen neuronalen Code haben, der bei allen Menschen allgemeingültig ist“, sagt Andreas Bartels. Die Studie von Michael Bannert und Andreas Bartels berührt zugleich eine andere spannende Frage, nämlich, ob alle Menschen eine Farbe tatsächlich gleich erleben.
„Wir sehen bei den Daten klare Gemeinsamkeiten zwischen den Versuchspersonen. So konnten wir feststellen, dass Farbverzerrungen, also Abweichungen in der Farbcodierung bei allen Menschen ähnlich sind. Lichtintensität und Farbwert sind nämlich nicht in allen Bereichen unseres Sehens gleich. Wir deuten diesen Hinweis auf grundlegend vergleichbare Organisationsprinzipien im Sehsystem des Menschen. Ob das subjektive Erleben einer Farbe wirklich identisch ist, das können wir nicht sagen, und selbst die gängigen wissenschaftlichen Methoden der Wahrnehmungsforschung reichen dafür wahrscheinlich nicht aus“, fügt Bannert hinzu.
Die beiden Forscher sind damit noch nicht am Ende angelangt. Türkis, Blaugrün oder doch Grün? Farbtöne nimmt jeder von uns wohl ein bisschen anders wahr, aber sicher ist nun: Sehen wir eine bestimmte Farbe, dann ruft das in unseren Gehirnen ganz ähnliche Aktivitätsmuster hervor. Bislang war unklar, ob Rot, Gelb oder Grün jeweils mit einem spezifischen neuronalen Code verarbeitet würden, der bei allen Menschen allgemeingültig ist. Michael Bannert und Andreas Bartels von der Universität Tübingen und dem MPI für biologische Kybernetik haben das nun herausgefunden: Sie konnten durch den Vergleich der Hirnaktivität verschiedener Versuchspersonen ablesen, welche Farbe einzelne Probanden jeweils betrachteten. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie am 8. September im »Journal of Neuroscience«.
Für ihre Studie haben die Forscher die Hirnaktivität von 15 Versuchsteilnehmenden gemessen. Die aktiven Bereiche im Hirn lokalisierten sie mithilfe der funktionellen Magnetresonanztomografie (fMRT), eines speziellen bildgebenden Verfahrens. Dazu zeigten sie den im MRT liegenden Personen farbige Ringe auf grauem Grund, die entweder rot, grün oder gelb waren. Welche Farbe jeder Einzelne erblickte, ließ sich an seinen spezifischen Gehirnmustern ablesen. Die Frage war aber, ob man die Resultate auch auf die Hirnaktivitäten anderer Menschen übertragen könnte. »Lässt sich also die gesehene Farbe auch dann auslesen, wenn nur neuronale Farbsignale aus Gehirnen anderer Personen bekannt sind?«, fragt Bannert in einer Pressemitteilung der Universität Tübingen. Bei den Versuchen bestätigte sich die Annahme. Dazu kartierten die Forscher zunächst, wie einzelne Orte im Sichtfeld in den Gehirnen der Probanden dargestellt werden. Dafür setzten sie die Versuchsteilnehmenden einer gleichartigen Sehumgebung mit schwarz-weißen Mustern aus. Anschließend wurde die Hirnantwort auf Farbreize gemessen. Mit den Kartierungsdaten einerseits und den gemessenen Farbcodes andererseits trainierten sie ein Computermodell - allerdings haben sie dafür die Farbcodes jener Personen ausgeschlossen, deren Farbensehen sie vorhersagen wollten. Was schließlich anhand der Hirnaktivität gelang.
Laut Bannert und Bartels hängt der Prozess des Farbensehens damit zusammen, wie das Gehirn das Sichtfeld abbildet. In unserer Sehrinde existieren dafür spezifische räumliche Karten unseres Blickfelds, die auf Farben reagieren. »Wenn Licht auf die Netzhaut fällt, werden die Informationen nicht zufällig weitergeleitet. Jeder Punkt hat hier einen genauen Positionswert, und diese räumliche Ordnung wird über die Sehnerven der Netzhaut in die höheren Verarbeitungsebenen des Gehirns übertragen«, so Bannert in einem Pressebericht des MPI. Auf diesem Weg entstehe in der Sehrinde »ein geordnetes Abbild und ein entsprechendes Aktivitätsmuster, das wir mithilfe von fMRT bewerten konnten«.
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Wie die beiden Neurowissenschaftler vermuten, könnte die Ähnlichkeit, mit der das Gehirn Farben verarbeitet, darauf hinweisen, dass sich dieses Prinzip in der Stammesgeschichte des Menschen herausgebildet hat - aus Gründen, die erst noch erforscht werden müssten.
Wie Farben in unserem Kopf entstehen
Licht hat eigentlich keine Farbe - erst unser Gehirn macht daraus bunte Eindrücke. Sichtbares Licht ist nur ein kleiner Teil des elektromagnetischen Spektrums, auf den unsere Augen reagieren können. Lichtwellen unterscheiden sich in ihrer Frequenz und Wellenlänge. Je kürzer die Wellenlänge, desto blauer erscheint das Licht; längere Wellen wirken eher rötlich.
Unsere Netzhaut enthält spezielle Sinneszellen: die Zapfen. S-Zapfen reagieren besonders auf kurzwelliges blau-violettes Licht. M-Zapfen sind auf mittlere Wellenlängen, also Grün, spezialisiert. L-Zapfen erfassen die längerwelligen Gelbtöne. Grundsätzlich können unsere Augen ein Lichtspektrum zwischen 380 und 780 Nanometern verarbeiten.
Erst durch die Kombination verschiedener Zapfen entstehen die vielfältigen Farben, die wir wahrnehmen. Wenn eine Oberfläche verschieden lange Wellen reflektiert, entstehen Mischfarben wie Gelb, Lila, Orange oder Violett. Werden alle drei Zapfen-Typen gleichzeitig angesprochen, erzeugt unser Gehirn den Eindruck der Farbe Weiß. So entsteht aus Licht ein farbiges Bild der Welt.
Farbkonstanz: Ein Trick des Gehirns
Unser Gehirn gleicht Lichtveränderungen aus, damit Objekte unabhängig von der Beleuchtung ihre Farbe behalten. Gras erscheint uns immer grün, egal ob bei Mittagslicht oder im rötlichen Abendlicht. Digitalkameras nutzen dafür den automatischen Weißabgleich - unser Gehirn macht etwas ganz Ähnliches!
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Subjektive Einflüsse auf die Farbwahrnehmung
Es gibt noch weitere Einflussfaktoren auf die Wahrnehmung von Farben. Eine norwegische Studie deutet darauf hin, dass Lichtverhältnisse in der frühen Kindheit die Farbdifferenzierung beeinflussen könnten. Auch Sprache spielt eine Rolle: In manchen Sprachen gibt es keinen getrennten Begriff für „Blau“ und „Grün“. Forscher der Université de Lyon vermuten, dass Umweltbedingungen - etwa UV-Strahlung oder die Nähe zu großen Gewässern - die sprachliche Entwicklung beeinflusst haben könnten.
Auch unsere psychische Verfassung spielt eine Rolle: Eine Studie der US.-University of Rochester zeigte, dass Menschen nach dem Anschauen eines traurigen Films Farben weniger präzise zuordnen konnten als nach einem neutralen oder fröhlichen Video. Forscher vermuten, dass Dopamin eine Rolle spielt: Dieses Neurotransmitter beeinflusst die Verarbeitung visueller Informationen. Menschen mit Depressionen nehmen Kontraste oft weniger deutlich wahr, was sich auf ihre Farbwahrnehmung auswirken kann.
Farben entstehen im Kopf: Unsere Farbwahrnehmung ist eine erstaunliche Kombination aus Biologie, Umwelt und persönlichen Erfahrungen. Sie kann sich über die Jahre verändern und ist bei jedem Menschen einzigartig.
Farbensehen und Aufmerksamkeit
Was wir mit den Augen wahrnehmen, wird im visuellen Cortex verarbeitet. So entstehen im Gehirn Sinneseindrücke von Farben, die je nach Wellenlänge des Lichts unterschiedlich aussehen. Ein Forscherteam des Leibniz-Instituts für Neurobiologie (LIN) Magdeburg hat in einer aktuellen Studie im Fachmagazin Communications Biology untersucht, wie man Farben bewusst wahrnimmt oder eben auch ignoriert - mit überraschendem Ergebnis.
Ob an der Ampel im Straßenverkehr oder beim Einkaufen im Supermarkt: Ständig müssen wir im Alltag Wichtiges von Unwichtigem unterscheiden. Dabei verlassen wir uns oft auf Farbsignale. Doch was passiert im Gehirn, wenn man auf der Suche nach roten Tomaten und grünen Avocados in der Gemüseabteilung zuerst auf die Tomaten trifft? Kann das Gehirn in dem Moment schnell auf „Rot“ schalten und „Grün“ ignorieren?
„Wir wollten in der Studie herausfinden, wie das Gehirn seine Aufmerksamkeit auf etwas richtet und vor allem wie schnell es wechseln kann, wenn es mehrere Dinge gleichzeitig verarbeitet, wie in dem Beispiel mit den roten Tomaten und grünen Avocados“, erläutert Erstautorin Dr. Mandy Viktoria Bartsch.
Dafür bat sie 22 Probandinnen und Probanden einfache Aufgaben zu lösen. Die Untersuchten sollten sich auf die Zielfarben (z.B. Rot oder Grün) im linken Bereich eines Bildschirms konzentrieren. „Auf der rechten Seite blendeten wir dann entweder die gleiche Farbe ein oder eine andere, die sogenannte Störfarbe. Per Tastendruck mussten die Teilnehmer entscheiden, ob sie auf der linken Seite gerade Rot oder Grün gesehen haben. Vor allem hat uns aber die Gehirnantwort zu der potentiell störenden Farbe auf der rechten Bildschirmseite interessiert.“ Um die elektromagnetische Aktivität des Gehirns zu messen, hatten die Teilnehmenden während des 60-minütigen Experiments eine EEG-Haube auf dem Kopf und saßen in einem Magnetoenzephalographen, der schnelle Aktivitätsänderungen misst.
Bartsch und ihr Team hatten erwartet, dass die rote Farbe zuerst verarbeitet werden würde, wenn das präsentierte Zielobjekt rot war. „Das war jedoch nicht der Fall. Erstaunlicherweise reagierten die Probanden zunächst auf den in diesem Moment irrelevanten grünen Farbton, also die Störfarbe, bevor sie sich ganz auf Rot fokussierten. Unsere Aufmerksamkeit scheint sich erst um die Dinge zu kümmern, die uns ablenken, bevor sie sich dem eigentlichen Ziel zuwendet. Wir nennen diesen Mechanismus ,selection for rejection´. Ein Reiz wird selektiert, um ihn danach besser unterdrücken zu können.“
Außerdem fanden sie in ihrer Studie heraus: „Versuchspersonen konnten schneller auf einen roten Reiz antworten, wenn sie zuvor stärker Grün selektiert hatten“, so Bartsch. Das heißt: Je stärker die ablenkende Farbe wahrgenommen wurde, desto besser konnte sie anschließend ausgeblendet werden. Für unseren Supermarktbesuch bedeutet das: Wollen wir rote Tomaten und grüne Avocados kaufen, kommt es darauf an, auf was wir als Erstes treffen: Sind es die roten Tomaten, werden wir wohl erst einmal alles Grüne im Regal ausblenden, sprich Gurken, Brokkoli, Zucchini und Co. Erst, wenn die grüne Farbe erfolgreich unterdrückt wurde, wenden wir uns den roten Tomaten zu.
Spannend sind diese Forschungsergebnisse auch in psychologischer Hinsicht: Wie können wir also etwas bewusst ignorieren? „Paradoxerweise scheinen wir in unserem Gehirn erst das wahrzunehmen, was wir eigentlich unterdrücken wollen.
Farbsehstörungen
Nicht jeder Mensch sieht Farben auf die gleiche Weise. Etwa acht Prozent der Männer in Europa haben eine Rotgrünsehschwäche, während Frauen nur selten betroffen sind. Menschen mit Rotgrünschwäche nehmen bestimmte Farben anders wahr. Eine Studie zeigte, dass sie Farbtöne, die für andere khaki erscheinen, als Rot oder Grün einordnen. Die Ursache liegt in fehlenden oder veränderten Fotopigmenten. Dadurch fehlt die Möglichkeit, bestimmte Wellenlängen miteinander zu vergleichen und Farben sauber zu trennen.
Die Gene für M- und L-Zapfen liegen auf dem X-Chromosom, weshalb Männer häufiger betroffen sind. Frauen haben zwei X-Chromosomen und können Defekte meist ausgleichen. Die Blaugelbsehschwäche ist seltener, da das zuständige Gen auf Chromosom 7 liegt, das Männer und Frauen gleichermaßen besitzen.
Eine Farbschwäche bedeutet nicht unbedingt eine schlechtere Farbdifferenzierung. Manche Betroffene können Farbnuancen sogar genauer unterscheiden als Menschen mit normaler Farbwahrnehmung - allerdings nur innerhalb ihrer eigenen Farbräume.
Synästhesie: Wenn Sinne sich vermischen
Wer Buchstaben schmeckt, Töne sieht und Personen eine Farbe gibt, hat eine ganz besondere Gabe: Synästhesie. Synästhetiker verknüpfen zwei oder mehrere Sinnesreize zu vermeintlich unpassenden Empfindungen. Sie schmecken etwa Tonintervalle, riechen Zahlen oder sehen Buchstaben in einer bestimmten Farbe.
Die Ursachen für die Synästhesie sind noch immer unklar. Neben genetischen Aspekten sehen einige Wissenschaftler eine Übererregbarkeit als Schlüssel zur gekoppelten Wahrnehmung. Reduzierte Hemmprozesse könnten demnach dazu führen, dass Hirnareale zusammenarbeiten, die sonst unabhängig voneinander agieren. Übererregbarkeit alleine kann das Phänomen nicht erklären, sagen andere Forscher und verweisen auf neuroanatomische Besonderheiten im Synästhetiker-Gehirn. So zeigen Studien, dass die betroffenen Hirnareale stärker verknüpft sind. Außerdem ist der Scheitellappen, in dem Sinneseindrücke zu einem Gesamtbild verknüpft werden, stärker ausgeprägt. Synästhetiker haben mehr neuroanatomische Knotenpunkte im Denkorgan und dadurch ein engmaschigeres Netzwerk. Diese Befunde sprechen für Vilayanur Ramachandrans Hypothese, dass der Synästhesie eine besonders enge Verknüpfung und ausgeprägte Zusammenarbeit von Hirnarealen zugrunde liegen.
Synästhesie ist keine Störung. Neurowissenschaftler sprechen von einer physiologischen Normvariante, also einer Abweichung vom Durchschnittsempfinden, die aber nicht krankhaft ist. Peter Weiss-Blankenhorn, der an der Universität zu Köln und im Forschungszentrum Jülich an diesem Phänomen forscht, nennt es lieber eine Begabung: “Synästhetiker empfinden ihre Besonderheit meist als Bereicherung, die sie nicht missen möchten.” Das gelte selbst für einen englischen Pub-Besitzer, von dem der Psychologe Jamie Ward von der University of Sussex berichtete: “Der Mann hat bei Bestellungen oft einen völlig unpassenden Geschmack auf der Zunge.” Zwar müssen sich einige Betroffene daher stärker auf eine Aufgabe konzentrieren als andere Menschen - beim Autofahren etwa, oder jener Pubbesitzer, wenn er die Wünsche seiner Gäste entgegennimmt. “Und junge Synästhetiker sind natürlich auch erstmal irritiert, wenn sie irgendwann bemerken, dass nicht alle die Dinge so wahrnehmen, wie sie es tun”, sagt Weiss-Blankenhorn. Doch häufig berichten sie auch, dass sich mit Hilfe der doppelten Wahrnehmung etwa Dinge leichter einprägen lassen. Und gerade für Kreative scheint die Synästhesie ein sprudelnder Quell zu sein: Kompositionen gelingen leichter und Worte fließen besser, wenn man sie gleich auf mehreren Ebenen empfindet. Und tatsächlich scheint es, als ob das Phänomen unter Künstlern aller Genres besonders häufig auftritt.
Ob jemand wirklich Synästhetiker ist, lässt sich mit einem Test überprüfen. Dabei werden etwa Graphem-Farb-Synästhetiker gebeten, die Farbe von Buchstaben zu benennen, die man ihnen vorlegt. Ist nun beispielsweise ein A für den Probanden normalerweise rot, auf dem Testblatt jedoch schwarz gedruckt, so braucht er messbar länger, um es zu erkennen.
Neuronale Grundlagen der Farbwahrnehmung
Die Verarbeitung von Farbinformationen im Gehirn ist ein komplexer Prozess, der verschiedene Hirnareale involviert. Die Netzhaut des Auges enthält drei Arten von Zapfen, die jeweils für unterschiedliche Wellenlängen des Lichts empfindlich sind: Rot, Grün und Blau. Die Signale dieser Zapfen werden über den Sehnerv zum visuellen Kortex im Gehirn weitergeleitet, wo sie weiterverarbeitet werden.
Im visuellen Kortex gibt es verschiedene Areale, die an der Farbwahrnehmung beteiligt sind. Dazu gehören V1, V2, V4 und V8. Diese Areale sind hierarchisch organisiert, wobei V1 die grundlegendsten Informationen über Farbe und Form verarbeitet und V8 für die komplexere Verarbeitung von Farbinformationen zuständig ist.
Es gibt auch Hinweise darauf, dass andere Hirnareale, wie der inferiore temporale Kortex und der präfrontale Kortex, an der Farbwahrnehmung beteiligt sind. Diese Areale könnten eine Rolle bei der Verknüpfung von Farbinformationen mit anderen sensorischen Informationen und bei der Steuerung der Aufmerksamkeit spielen.
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