Die menschliche Wahrnehmung ist ein komplexes Zusammenspiel von Sinnesorganen und Gehirnaktivität. Was wir als Realität wahrnehmen, ist in Wirklichkeit eine Konstruktion unseres Gehirns, die auf Erfahrungen, Erwartungen und internen Prozessen basiert. Diese Konstruktion ist nicht immer akkurat und kann durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden, was zu Illusionen und Trugwahrnehmungen führen kann.
Die Verarbeitung visueller Reize im Gehirn
Wenn Signale von Lichtpunkten und Lichtbalken auf die Netzhaut treffen, werden sie dort getrennt registriert und an nachfolgende Gehirnstrukturen weitergeleitet. Schon auf der ersten kortikalen Verarbeitungsebene, den primären visuellen Arealen der Großhirnrinde, stellte Jancke am Weizmann Institut unerwartet weitreichende Verarbeitungsprozesse fest. Der Lichtpunkt löst in diesen frühen Gehirnstrukturen unterschwellige und weitreichende Erregungswellen aus. Was wir davon wahrnehmen, ist allerdings lediglich „die Spitze des Wellenkammes“. Nur diese lokale Information über den Ort des Lichtpunktes wird an andere Gehirnareale weitergeleitet, während der Großteil unterschwelliger Aktivitätsbereiche unserer Wahrnehmung zunächst verborgen bleibt. Erst ein nachfolgender Reiz, wie der Lichtbalken bei der „Line-Motion Illusion“, hebt die sich ausbreitende unterschwellige Aktivitätswelle auf ein höheres, dann wahrnehmbares Niveau: Der Balken „wächst vor unseren Augen“, das Gehirn täuscht uns aus zwei unbewegten Objekten Bewegung vor.
Die "Line-Motion-Illusion" als Beispiel für Gehirnaktivität
Unser Gehirn ist nicht deshalb so komplex, damit es uns fortwährend täuschen kann, sondern damit wir uns in einer sich stetig bewegenden und verändernden Umwelt besser zurecht finden können. Auf plötzlich erscheinende Objekte, wie ein heranrasendes Auto, werden wir vermutlich durch unterschwellig weit vorauseilende Gehirnaktivitäten intern „vorbereitet“, um Verarbeitungszeit zu sparen und schnell reagieren zu können. „Quasi-automatische“ Gehirnprozesse verschaffen uns stabile Bildwahrnehmungen und erleichtern uns, visuelle Bewegung wahrzunehmen. Die vorliegende Studie zeigt einen möglichen Basismechanismus. Daneben laufen weitere Verarbeitungsprozesse ab: So kann die „Line-Motion-Illusion“ auch durch gezielt gesteuerte Aufmerksamkeit erzeugt werden, wenn wir den Blick willkürlich auf einen bestimmten Ort im Raum richten. Es überrascht jedoch das Ausmaß an Vorverarbeitung in einem primären Hirnareal. Dies lässt darauf schließen, dass an nachfolgende, höhere Hirnregionen bereits entscheidend modifizierte Informationen weitergegeben werden.
Zusammenspiel verschiedener Gehirnareale bei der Verarbeitung visueller Reize
Li Zhaoping vom Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik in Tübingen erforscht anhand von Stereogrammen, wie verschiedene Gehirnareale bei der Verarbeitung visueller Reize zusammenwirken. Ihre neue Studie zeigt, dass bestimmte widersprechende visuelle Signale für die Wahrnehmung von räumlicher Tiefe vom Gehirn unterdrückt werden, wenn es dafür genügend Zeit hat. Menschen sind gut darin, räumliche Tiefe visuell wahrzunehmen. Das liegt teilweise daran, dass das rechte und linke Auge - nur wenige Zentimeter voneinander entfernt - die Umgebung aus einer leicht verschiedenen Perspektive wahrnehmen und daher kaum unterscheidbare Bilder der Welt aufnehmen. Das Gehirn interpretiert diese Unterschiede als Hinweise darauf, was nah und was fern ist. Mit Stereogrammen kann man dieses Phänomen für Spaß und Unterhaltung nutzen: Wenn man sie nach innen oder außen schielend anschaut, zeigen sie dem linken und dem rechten Auge leicht unterschiedliche Bilder, so dass das Gehirn Tiefe wahrnimmt.
Random-Dot-Stereogramme sind relative einfache Versionen von Stereogrammen: Sie bestehen aus je zwei Bildern, die nur Punkte enthalten. Statt beim Betrachten ein Schielen nach innen oder außen zu erzwingen, werden die Bilder mittels geeignet angeordneter Spiegel dem linken und dem rechten Auge voneinander unabhängig gezeigt. Je ein Punkt, der dem rechten Auge gezeigt wird, und ein Punkt, der dem linken Auge gezeigt wird, bilden ein Paar. Bei manchen solchen Paaren sind beide Punkte an identischen Positionen relativ zum Gesamtbild; bei anderen Paaren sind die Punkte leicht versetzt. Wenn der vom linken Auge wahrgenommene Punkt etwas nach rechts verschoben ist, wird das Punktepaar als näher wahrgenommen; wenn er weiter links ist, nimmt das Gehirn das Paar als weiter weg wahr.
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Die Rolle von Neuronen im primären visuellen Kortex
Sehen ist ein komplexer Prozess, in dem verschiedene Gehirnareale zusammenwirken müssen. In einem ersten Schritt werden die von den Augen aufgenommenen Daten im sogenannten primären visuellen Kortex verarbeitet, bevor ein kleiner Bruchteil von ihnen in höhere Sehzentren weitergeleitet wird. Bemerkenswerterweise sind unterschiedliche Neuronen im primären visuellen Kortex für die Wahrnehmung von „nah“ und „fern“ zuständig: Manche Neuronen reagieren stark auf scheinbar nahe Punktepaare, andere auf scheinbar ferne Paare. Wenn jedoch ein schwarzer und ein weißer Punkt zusammen ein Paar bilden, tauschen diese Neuronen die Rollen: Für Neuronen im primären visuellen Kortex kehrt sich die Tiefenwahrnehmung um, wenn die Punkte miteinander kontrastieren. „Während der primäre visuelle Kortex schon recht gut erforscht ist, wollten wir endlich besser verstehen, welche Rolle die höheren Sehzentren für die Tiefenwahrnehmung spielen“, sagt Li Zhaoping.
Experimentelle Untersuchung der Tiefenwahrnehmung
Daher ließen sie und ihre Mitarbeiter Versuchspersonen verschiedene Random-Dot-Stereogramme mit weißen und schwarzen Punkten anschauen, auf denen jeweils eine zentrale Scheibe vor (oder manchmal hinter) einem umgebenden Ring dargestellt war. Doch in einigen Stereogrammen änderten die Wissenschaftler die Schattierungen mancher Punkte in der Scheibe, so dass manche Paare schwarz-weiß gemischt waren. Da die Tiefenwahrnehmung sich bei schwarz-weißen Paaren umkehrt, führte die Mischung von einfarbigen und schwarz-weißen Paaren dazu, dass der primäre visuelle Kortex widersprüchliche Signale an die höheren Sehzentren schickte. Es wäre also zu erwarten, dass die zentrale Scheibe schwieriger zu erkennen sein sollte. Doch erstaunlicherweise war die Tiefenwahrnehmung nur dann beeinträchtigt, wenn die Versuchspersonen die Stereogramme nur kurz anschauen konnten - hatten sie genügend Zeit, erschwerten die sonst verwirrenden schwarz-weißen Paare die Tiefenwahrnehmung nicht mehr.
Feedback von höheren Sehzentren
„Wirklich faszinierend ist, dass diese Ergebnisse, so widerspruchsvoll sie zunächst erscheinen mögen, eine in der Sehforschung seit langem diskutierte Hypothese stützen”, erklärt Zhaoping. „Wenn der primäre visuelle Kortex widersprüchliche Daten weitergibt - in diesem Fall stimmt die Information der schwarz-weißen Paare nicht mit der Information der anderen Punktpaare überein - werden die Signale von den schwarz-weißen Punkten zunächst einfach zu den anderen Signalen addiert. Daher hatten die Versuchspersonen in den Experimenten mit voneinander abweichenden Signalen und kurzer Sehdauer Schwierigkeiten, die Scheibe zu erkennen.“
Doch mit genügend Zeit kommen die höheren Sehzentren ins Spiel: Sie stellen auf Basis des visuellen Inputs Mutmaßungen über die tatsächliche visuelle Szenerie an; mit einem internen Modell der Realität erstellen sie ein synthetisches Input-Bild. „Dieses Bild wird dann an den primären visuellen Kortex zurückgemeldet - als Bitte, die Originaldaten zu korrigieren und zu vervollständigen. Man könnte sagen, dass die höheren Sehzentren zum primären visuellen Kortex sagen: ‚So würde eine Scheibe im Vordergrund aussehen - bitte vergleiche, ob das mit deinem Input übereinstimmt.‘” Um eine stimmige räumliche Weltsicht zu konstruieren, werden das synthetische und das tatsächliche visuelle Bild verglichen - dieser Abgleich bestätigt entweder die Mutmaßungen der höheren Sehzentren oder legt Veto gegen sie ein, und die bestätigten Mutmaßungen sind das, was wahrgenommen wird.
Im Fall der unstimmigen Stereogramme schaltet dieses Feedbackmodell die verwirrenden Signale der schwarz-weißen Punktepaare aus, so dass die Scheibe deutlich wahrgenommen wird.
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Optische Täuschungen und Scheinbewegungen
Dass nicht alles, was wir wahrnehmen, auch real ist, kann man eindrücklich am Beispiel optischer Täuschungen zeigen. Sie entstehen häufig dadurch, dass die von den Augen kommenden Informationen von verschiedenen Regionen des visuellen Kortex komplex aufbereitet werden, bevor wir unsere Umgebung als Bild wahrnehmen. Diese Prozesse helfen dabei, die Informationen aus den Augen zu einem sinnvollen Ganzen zusammenzufügen. Um eine optische Täuschung handelt es sich auch bei dem Phänomen der Scheinbewegung: Werden uns zwei visuelle Reize abwechselnd in bestimmten zeitlichen und räumlichen Abständen gezeigt, nehmen wir sie als ein bewegtes Objekt wahr. Typische Anwendung findet dieses Phänomen beim Daumenkino: Aus einer Folge von statischen Bildern entsteht beim Blättern der Eindruck einer kontinuierlichen Bewegung.
Die Frage, wo im Gehirn diese Illusion konstruiert wird, versuchte nun ein Forschungsteam am Max-Planck-Institut für Hirnforschung zu klären. Dazu zeigten die Versuchsleiter den Probanden zwei Quadrate, die abwechselnd in einigen Zentimetern Entfernung auf einem Bildschirm aufleuchteten und zeichneten ihre Gehirnaktivität durch einen Magnetresonanztomografen auf. Erwartungsgemäß aktivierte jedes der beiden Quadrate je eine bestimmte Region in dem Teil der Hirnrinde, in dem visuelle Informationen zuerst verarbeitet werden, dem primären visuellen Kortex (V1). Wenn jedoch die Versuchspersonen die beiden Quadrate als ein wanderndes wahrnahmen, war zwischen diesen beiden Regionen überraschenderweise eine weitere aktiv. Bisher war angenommen worden, dass nur Informationen aus dem Auge Regionen in V1 aktivieren können. Anscheinend lösen aber die beiden nacheinander aufblitzenden Lichtreize im Gehirn ein Aktivitätsmuster aus, welches die Lücke zwischen den beiden Quadraten füllt und uns eine Bewegung wahrnehmen lässt.
Die Rolle des primären visuellen Kortex (V1) bei der Wahrnehmung von Bewegung
Vor dem Hauptexperiment werden die Grenzen der visuellen Areale bestimmt (links). Die streifenartige Struktur früher visueller Areale lässt sich besser auf aufgeblasenen Ansichten der Großhirnrinde zeigen (Mitte). Innerhalb von V1 können drei Ortsrepräsentationen unterschieden werden: eine gelbe für ein blinkendes Objekt, welches rechts oben vom Probanden aus gezeigt wurde, eine mittlere (orange) und eine für Objekte im unteren Gesichtsfeld in Rot. Welche Hirnregion ergänzt nun die fehlenden Daten, die zur Wahrnehmung einer Bewegung notwendig sind? In V1 konnte zwar eine zusätzlich aktivierte Region beobachtet werden; sie kann nach Ansicht der Wissenschaftler jedoch nicht dafür verantwortlich sein, da sie zu weit von den beiden die Quadrate repräsentierenden Arealen entfernt ist. Vielmehr vermuten sie, dass die fehlenden Daten von einem für die Wahrnehmung von Bewegung zustängigen Areal außerhalb von V1, das den Namen hMT/V5+ trägt, ergänzt werden. Bisher weiß man, dass Verbindungen zwischen hMT/V5+ zu dem primären visuellen Kortex existieren, und dass es dort Nervenzellen gibt, die visuelle Reize als Gesamtheit wahrnehmen.
Die Studie macht deutlich, dass sich das menschliche Gehirn in unserem Alltag als ein kreativer Brückenbauer bewährt und in der Lage ist, aus wenigen Bruchstücken einen kontinuierlichen Zusammenhang zu konstruieren. Überraschend ist, dass sich jene Hirnareale, von denen man bisher annahm, dass sie Informationen aus dem Auge ohne größere Veränderungen abbilden, auch als Helfershelfer bei der Konstruktion von Illusionen erweisen.
Die Konstruktion der Realität im Gehirn
Wir Menschen glauben, dass wir die Welt so sehen, wie sie wirklich ist. Doch das ist ein Irrtum. Unsere evolutionäre Geschichte, Sinnesorgane, Hirnstrukturen und unser Gedächtnis erschaffen für uns eine Wirklichkeit, die nur in unserem Kopf existiert - und die in vielerlei Hinsicht geschönt, getrickst und manipuliert ist. Aber diese Illusion hilft uns, zu überleben.
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Das Capgras-Syndrom als Beispiel für die Fragilität der Realitätswahrnehmung
Im Jahr 1923 erscheint eine Publikation des französischen Psychiaters Jean Marie Joseph Capgras, mit der er auf einen verblüffenden Fall aufmerksam macht: Eine verheiratete Frau hatte eines Tages ihrem Mann erklärt, er sei gar nicht ihr Gatte, sondern ein Doppelgänger. Etwas später stellte die Dame fest, dass auch mit anderen Menschen in ihrer Umgebung offenbar etwas nicht stimmte: Mehrere Mieter in ihrem Haus, der Hausmeister, sogar ihre Kinder, seien entführt und durch gleich aussehende, aber fremde Personen ersetzt worden. Anhand dieser Symptome beschreibt der Psychiater erstmals das später nach ihm benannte Capgras-Syndrom, auch Doppelgänger-Syndrom genannt.
Weitere Beispiele für veränderte Realitätswahrnehmung nach Hirnschädigungen
Zwei weitere seltsame Fälle beschreibt der US-amerikanische Neurowissenschaftler Vilayanur S. Ramachandran in seinem Buch "Die Frau, die Töne sehen konnte": Ein Mann konnte nach einem Schlaganfall plötzlich keine Gesichter mehr erkennen - weder das seiner Frau noch das eigene. Dabei war seine Sehfähigkeit als solche nicht eingeschränkt. "Ich weiß, dass ich es bin", sagte er beim Blick in den Spiegel: "Aber es sieht nicht aus wie ich."
Und eine Frau, die ebenfalls einen Schlaganfall erlitten hatte und eine weitgehend normale Sehfähigkeit besaß, vermochte keine Bewegungen mehr wahrzunehmen. Ein fahrendes Auto sah sie als Folge von Standbildern, das strömende Wasser, das sie in ein Glas goss, erschien ihr wie ein gefrorener Eiszapfen.
Neurobiologische Erklärungen für veränderte Realitätswahrnehmung
Hirnforscher können inzwischen erklären, wie solche seltsamen Phänomene zustande kommen. Beim Capgras-Syndrom etwa sind durch Erkrankung oder Unfälle Verbindungen zwischen Strukturen der Sehrinde, die für die Erkennung von Objekten notwendig sind, und der sogenannten Amygdala zerstört. Letztere Hirnstruktur ist für Emotionen zuständig, verbindet etwa angenehme oder unangenehme Gefühle mit einem Objekt.
Ist nun die Verbindung zum Sehzentrum unterbrochen, kann das Gehirn zwar ein Gesicht erkennen, dieses aber nicht mehr mit den vertrauten Emotionen verbinden. Die Folge ist, dass - etwa im Fall der von Capgras beschriebenen Frau - der Mann, dem sie gegenübersteht, zwar aussieht wie ihr Gatte, aber keinerlei Emotionen auslöst und ihr daher fremd erscheint. Weil das Gehirn diesen Widerspruch nicht ertragen kann, flüchtet es in die Erklärung, der Mann müsse ausgetauscht worden sein, es müsse sich um einen Doppelgänger handeln.
Die Fälle zeigen, wie fragil unser Bild von der Wirklichkeit ist, wie schnell und erschütternd sich das verändern kann, was wir für die Realität halten. Nur ein kleiner Defekt in den Strukturen unseres Gehirns und plötzlich ist die Welt für die Betroffenen eine komplett andere. Capgras-Syndrom und die Sehstörungen nach Schlaganfällen sind nur drei Beispiele von vielen, die belegen, dass die von uns wahrgenommene Welt nur in unserem Gehirn existiert und sich auf dramatische Weise verändern kann. Doch das geschieht keineswegs nur, wenn in unserem Kopf etwas nicht richtig funktioniert. Sondern auch in unserem völlig normalen Alltag.
Der blinde Fleck und die selektive Aufmerksamkeit
Jeder Mensch hat ein Loch in seinem Gesichtsfeld - und bemerkt es nicht. So besitzt jeder Mensch in seinem Auge einen sogenannten "blinden Fleck". Das ist jene Stelle, an der der Sehnerv in den Augapfel eintritt. Dieser Nerv leitet Informationen, die von den lichtempfindlichen Zellen der Netzhaut gesammelt werden, ans Gehirn weiter. Der Nerv selbst kann aber keine Lichtreize registrieren und deshalb müssten wir eigentlich dort, wo er in die Netzhaut mündet, ein Loch in unserem Sehfeld haben. Doch unser Gehirn gaukelt uns ein perfektes Gesichtsfeld vor.
Wir sind auch sicher, dass wir die Welt um uns herum komplett in Farbe sehen. Schauen wir uns am helllichten Tag um, scheint unser gesamtes Gesichtsfeld in vielen Farbtönen zu leuchten. Doch das ist ebenfalls eine Illusion. Denn wir besitzen verschiedene Typen von Lichtrezeptoren: Drei Sorten von sogenannten "Zapfen", die für die Farbwahrnehmung zuständig sind, und "Stäbchen", die nur hell und dunkel unterscheiden können, dafür aber empfindlicher sind. Die Zapfen konzentrieren sich am stärksten im "gelben Fleck" - genau gegenüber der Augenlinse in der Netzhaut. Dies ist der Ort des schärfsten Sehens. Während es hier keine Stäbchen gibt, nehmen diese Rezeptoren zu den Rändern her immer mehr zu.
Warum nachts alle Katzen grau sind
Außen fehlen dann die farbempfindlichen Zapfen. Daher müssten wir am Rand unseres Gesichtsfeldes eigentlich zunehmend Grautöne sehen - das aber "korrigiert" unser Gehirn und alles erscheint uns gleich farbig. Lediglich in der Dämmerung bemerken wir, dass die Farbwahrnehmung schwindet. Denn bei wenig Licht stellen die Farbrezeptoren ihren Dienst ein und die Stäbchen übernehmen komplett. Daher das alte Sprichwort: "Nachts sind alle Katzen grau."
Dass auch unsere Aufmerksamkeit höchst selektiv ist, belegt ein legendäres Experiment zweier US-Forschenden aus dem Jahr 1999. Ein Video, in dem drei hell gekleidete und drei dunkel gekleidete Personen sich Basketbälle zuspielen, wurde gezeigt und die Versuchspersonen angehalten zu zählen, wie viele Pässe auf die hell gekleidete Mannschaft entfielen. Was den Probanden nicht verraten wurde und sie ein im Grunde äußerst auffälliges Detail übersehen ließ: Irgendwann schlich sich ein als schwarzer Gorilla verkleideter Mensch durch das Bild, winkte den Zuschauern kurz zu und verschwand wieder. Doch rund die Hälfte der Versuchsteilnehmenden hatte den Gorilla nicht wahrgenommen.
Die Interpretation des Gesehenen und optische Täuschungen
Es gibt jede Menge Belege dafür, wie unser Gehirn das Gesehene interpretiert und sich dadurch häufig in die Irre führen lässt - bekannt als "optische Täuschungen". Parallele Streifen auf einer Abbildung werden etwa als schräg empfunden, wenn auf ihnen schwarze und weiße jeweils verschobene Quadrate gezeigt werden. Oder eine Grafik lässt sich je nach Erwartung ganz unterschiedlich interpretieren: Mal als Vase oder als Silhouette zweier Gesichter, die sich anschauen (siehe Bild links).
Verblüffend dabei ist: Das Gehirn muss sich für eine der Sichtweisen entscheiden, kann niemals beides zugleich sehen. Es entwirft innere Modelle der Welt, gleicht sie mit den Sinnesreizen ab und wählt jene Interpretation, die zu passen scheint.
Die Mondtäuschung
Und wer hätte nicht schon über den auf- oder untergehenden Mond gestaunt, der riesengroß über dem Horizont zu schweben scheint. Doch auch das ist eine optische Täuschung. Denn egal, ob man den Mond mit einer Kamera aufnimmt oder seine Größe als Winkel bestimmt, es lässt sich kein Größenunterschied zwischen dem aufgehenden und dem hoch am Firmament stehenden Mond feststellen.
Die wahrscheinlichste Erklärung, weshalb sich unser Auge dabei in die Irre führen lässt: Wir neigen dazu, Dinge in der Ferne mit anderen zu vergleichen. Und da wirkt der Mond am Horizont neben den kleinen Silhouetten von weit entfernten Häusern, Bergen oder Bäumen gewaltig. Oben am Himmel hat das Auge jedoch keine Objekte zum Vergleich - und sieht ihn daher kleiner.
Die evolutionäre Bedeutung der verzerrten Wahrnehmung
Warum aber ist das so, weshalb bildet unser Gehirn die Welt dort draußen nicht eins zu eins so ab, wie sie wirklich existiert? Die Antwort: Es wäre zum einen unmöglich, weil ein menschlicher Körper niemals über so viele Sinnesorgane und Gehirnkapazitäten verfügen könnte, um sämtliche Objekte und Vorgänge der physischen Welt zu erfassen. Zum zweiten aber wäre das aus Perspektive der Evolution auch gar nicht sinnvoll. Denn unser Organismus ist durch seine Jahrmillionen lange Geschichte darauf trainiert zu überleben. Und dafür ist entscheidend, sich auf jene Fakten aus der Wirklichkeit zu konzentrieren, die uns nützen.
Die Täuschungen des Gehirns können über Leben und Tod entscheiden
Zum Beispiel würde uns die Wahrnehmung des blinden Flecks als Loch in unserem Gesichtsfeld nur irritieren und somit füllt das Gehirn diese Lücken. Das Erkennen einer schemenhaften Silhouette kann über Tod oder Leben entscheiden, falls es sich dabei um einen im Blattwerk verborgenen Löwen handelt. Daher ergänzt unsere Wahrnehmung fehlende Informationen und interpretiert das Gesehene aufgrund von Erfahrungen. Und die Größe eines weit entfernten Tieres anhand eines danebenstehenden Baumes abzuschätzen, kann durchaus hilfreich sein. Im Fall des Mondes mag das zu einer Übertreibung führen, naht aber ein Raubtier, wird es lebenswichtig.
Ein Lebewesen, das die Gefahren schnell erkennt, optimal darin ist, Futter zu finden oder Partner für die Fortpflanzung zu gewinnen, wird überleben und Nachkommen in die Welt bringen. Eines, das sich darauf konzentrieren würde, alles zu sehen und zu erkennen, würde Ressourcen verschwenden und im Konkurrenzkampf untergehen. Und deshalb sind Tiere - und auch der Mensch - besonders gut darin, jene Dinge wahrzunehmen, die ihnen helfen zu überleben.
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