Ausgabe 2 2022

Das Gehirn kann keine Physik! – Wieso liegt es trotzdem häufig richtig bei der Einschätzung von Geschwindigkeit?

• von Alexander Göttker

Unsere Augen bewegen sich häufiger als unser Herz schlägt. Damit bewegt sich auch ständig die Umwelt über unsere Netzhaut. Trotzdem nehmen wir unsere Umwelt stabil wahr, denn unsere Wahrnehmung wird aktiv vom Gehirn konstruiert. Wie schafft das Gehirn das? Durch gezielte Laborexperimente lassen sich systematische Fehler im Zusammenspiel von Augenbewegungen und Wahrnehmung aufzeigen, welche uns helfen, besser zu verstehen, wie das Gehirn arbeitet, um aus physikalischen Reizen unsere Wahrnehmung der Umwelt zu konstruieren.

Ein Zug von Gießen nach Frankfurt benötigt circa 45 Minuten für die Strecke von 70 km. Der Einfachheit halber gehen wir davon aus, dass der Zug von Verspätungen verschont und mit einer konstanten Geschwindigkeit unterwegs ist. Wie schnell fährt der Zug? Solche oder ähnliche Aufgaben kennt man aus dem Physikunterricht. Geschwindigkeit ist als physikalisches Konzept klar definiert: als Veränderung der Position eines Objektes über die Zeit (Geschwindigkeit = Strecke/Zeit). Da wir die benötigte Zeit und die Distanz kennen, können wir die Geschwindigkeit berechnen, also in diesem Fall circa 93 km/h.

Bild 1: Wir können leicht berechnen wie schnell ein Zug fährt, doch wie gut sind wir darin verschiedene Geschwindigkeiten wahrzunehmen?

Auch im Alltag müssen wir häufig Geschwindigkeiten ermitteln, etwa von Fahrzeugen, wenn wir eine Straße überqueren. Dabei kennen wir selten die nötigen Variablen für eine Berechnung, sondern verlassen uns auf unsere intuitive Geschwindigkeitswahrnehmung. Über die Augen erhält das Gehirn visuelle Informationen, die dabei helfen, Geschwindigkeiten einzuschätzen. Wie das funktioniert, ist eine Frage aus dem Forschungsgebiet der Psychophysik. In der Psychophysik werden physikalische Messgrößen mit der Wahrnehmung in Beziehung gesetzt (Fechner, 1860). Dabei stellten Forscher bereits im 19. Jahrhundert fest: Verglichen mit physikalischen Messwerten ist unsere Wahrnehmung ungenau. Auf den Alltag wirkt sich das allerdings wenig bis gar nicht aus, denn dafür sind die Ungenauigkeiten meist zu gering. Dass man diese Abweichungen jedoch gezielt im Labor hervorrufen, messen und untersuchen kann, bietet ForscherInnen große Chancen, denn so erfahren wir viel über die Arbeitsweise des Gehirns. Anhand unserer Forschung werfen wir im Folgenden einen Blick auf drei Probleme, mit denen das Gehirn bei der Konstruktion unserer Wahrnehmung konfrontiert ist. Dabei klären wir, warum sich unsere Augen regelmäßig bewegen müssen und was das Ganze mit Physik und Geschwindigkeit zu tun hat.

Problem 1: Ein kleines Fenster in die weite Welt. Eigentlich haben wir das Gefühl unsere Umwelt jederzeit vollständig und detailreich wahrzunehmen – doch das ist bloß ein cleverer Trick unseres Gehirns. Ein kurzes Experiment: Versuchen Sie einmal die letzten Wörter einer beliebigen Zeile dieses Textes zu erkennen, während Sie grade auf den Anfang der Zeile blicken. Es wird Ihnen vermutlich nicht gelingen. Das liegt daran, dass die Sehschärfe in unserem visuellen Feld nicht konstant hoch ist, sondern nur besonders hoch nahe unseres Blickpunktes (der sogenannten Fovea) und zum Rand unseres Blickfeldes hin deutlich abfällt. Das Gehirn veranlasst unsere Augen daher immer wieder zu Bewegungen, um möglichst viele wichtige Informationen aus der Umgebung in das Feld der Fovea zu rücken. Durch eine geschickte Verbindung dieser einzelnen visuellen Eindrücke erzeugt das Gehirn anschließend ein komplettes Abbild unserer Umwelt. Ganz klar: Ohne Augenbewegungen gäbe es keine detailreiche Wahrnehmung. In der Forschung werden Augenbewegungen oft als Indikator für Verarbeitungsprozesse des Gehirns untersucht (Fooken & Spering, 2020), da Augen meist auf das gerichtet sind, was für unser Gehirn gerade relevant erscheint (Yarbus, 1967).

Problem 2: Zur richtigen Zeit am richtigen Ort. Bewegliche Objekte stellen das Gehirn vor eine weitere Herausforderung: Wollen wir ein bewegtes Objekt im Zentrum unseres visuellen Feldes bei höchster Sehschärfe halten, müssen wir die Bewegung mit unseren Augen konstant verfolgen. Um eingehende visuelle Informationen zu verarbeiten, braucht das Gehirn jedoch mindestens eine Zehntelsekunde. Während dieser Zeit hat sich das mobile Objekt aber weiterbewegt. Das Gehirn muss diese Verzögerung nun einberechnen, um unsere Augen nicht zu einer längst vergangenen Position des Objekts zu steuern. Unter normalen Umständen löst das Gehirn diese Aufgabe problemlos und lenkt die Augen zur richtigen Zeit an den richtigen Ort (Gellman & Carl, 1991). Im Labor können wir jedoch Bedingungen herstellen, bei denen es zu systematischen Fehlern der Augenbewegungen kommt (Goettker et al,, 2019): In einem Experiment sollten ProbandInnen am Computerbildschirm farbigen Bild 2: Typisches Laborsetup. ProbandInnen betrachten die Experimente auf einem Computerbildschirm. Der Kopf liegt dabei auf einer Kinnstütze (Vordergrund). Hierbei werden die Bewegungen der Augen durch zeitlich hochauflösende Kameras (Eye-Tracker, unter dem Bildschirm) aufgezeichnet.Lichtpunkte mit den Augen folgen, während wir ihre Augenbewegungen mit einem zeitlich hochauflösenden, videobasierten Eye-Tracker aufzeichneten. Bei der Auswertung der Eye-Tracker-Daten fanden wir heraus, dass die Helligkeit der präsentierten Lichtpunkte relativ zur Helligkeit des Bildschirmhintergrunds die Blickbewegungen der ProbandInnen beeinflusste. Waren bei gleicher Helligkeit der Lichtpunkt und der Bildschirm nur noch anhand der Farbe des Punktes zu unterscheiden, waren die Probanden nicht mehr in der Lage, der Bewegung des Lichtpunkts korrekt zu folgen – sie blickten zu einer der vergangenen Positionen des Punktes. Obwohl auch hier das Gehirn mit der Positionsveränderung des farbigen Lichtpunktes alle Informationen zur physikalischen Berechnung der Geschwindigkeit zur Verfügung hatte, war es nicht in der Lage, diese Berechnung korrekt durchzuführen. Die Augen kamen immer eine Zehntelsekunde zu spät an. Daraus lässt sich schließen: Die Mechanismen, die das Gehirn zur Berechnung von Geschwindigkeit benutzt, weichen teilweise von physikalischen Rechenwegen ab. Stattdessen berechnet das Gehirn Geschwindigkeit primär über die zeitliche Veränderung von Helligkeitsunterschieden. Da in unserer natürlichen Umgebung nahezu immer Helligkeitsunterschiede existieren, funktioniert dieser Mechanismus fast fehlerfrei.

Problem 3: Alles ist relativ. Haben wir es erfolgreich geschafft, ein bewegtes Objekt mit den Augen zu begleiten, ergibt sich eine weitere Schwierigkeit. Während unser Blick ein mobiles Objekt verfolgt, bewegen sich unsere Augen zwangsläufig mit. Dadurch wird das Objekt – trotz seiner Bewegung – stationär auf die Netzhaut projiziert. Unsere Netzhautprojektion stimmt nun nicht mehr mit den realen Gegebenheiten überein. Das Gehirn muss diesen Widerspruch, im Folgenden als Projektionsfehler bezeichnet, ausgleichen, um eine korrekte Wahrnehmung der Umwelt zu ermöglichen. Hierbei zeigt sich, dass im Gehirn unterschiedliche Maßnahmen ablaufen, je nachdem welche Art von Augenbewegung ausgeführt wird. Bei den sogenannten Folgebewegungen rotieren unsere Augen kontinuierlich mit der gleichen Geschwindigkeit wie das sich bewegende Objekt (Lisberger, 2015). Das Gehirn kann nun die Bewegung der Augen mit der fehlenden Bewegung des Objekts auf der Netzhaut vergleichen, die Differenz berechnen und so die Projektionsfehler korrigieren. Da Folgebewegungen relativ zu der Bewegung eines Objekts oft ein wenig zu langsam sind, können Augen zusätzlich kurze, schnelle Blicksprünge durchführen, sogenannte Sakkaden (Gilchrist, 2011). Sakkaden treten hierbei nicht nur beim Verfolgen von bewegten Objekten auf, sondern immer, wenn wir unserer Augen auf ein für uns relevantes Objekt oder einen für uns relevanten Ort richten wollen, zum Beispiel beim Lesen dieses Textes die einzelnen Wörter. Während einer Sakkade unterdrückt das Gehirn selektiv die bewusste Wahrnehmung (Binda & Morrone, 2018), sodass die Projektionsfehler auf der Netzhaut hierbei keine Rolle spielen. Allerdings treten Sakkaden und Folgebewegungen selten isoliert, sondern typischerweise in Kombination auf. Welche Konsequenzen ergeben sich aus diesem Zusammenspiel für unsere Wahrnehmung?

Um dieser Frage nachzugehen, ließen wir ProbandInnen auf einem Computerbildschirm Lichtpunkte betrachten, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegten (Goettker et al., 2018). Erneut zeichneten wir die Blickbewegungen der ProbandInnen mit einem Eye-Tracker auf. Nach jeder Bewegung beurteilten die ProbandInnen , ob sich die Lichtpunkte langsamer oder schneller als eine zuvor präsentierte Vergleichsgeschwindigkeit bewegt hatten. Die Bewegung der Lichtpunkte war nun von uns so gewählt, dass die ProbandInnen sie manchmal nur mit Folgebewegungen betrachteten und manchmal mit Folgebewegungen und zusätzlichen Sakkaden. Beim abschließenden Vergleich der Geschwindigkeitsurteile kamen wir zu einem überraschenden Ergebnis: Die ProbandInnen hatten die Geschwindigkeit des Lichtpunktes anders eingeschätzt, wenn eine zusätzliche Sakkade auftrat. Waren die Augen zu Beginn der Bewegung zu langsam und eine Sakkade war nötig, um den Lichtpunkt einzuholen, wurde die gleiche physikalische Geschwindigkeit als signifikant schneller eingeschätzt. War die Sakkade dagegen nötig, um rückwärts zum Lichtpunkt zurückzuspringen, wurde die Bewegung langsamer eingeschätzt. Dies zeigt: Während Sakkaden ist die bewusste Wahrnehmung zwar unterdrückt, aber trotzdem verfälschen Sakkaden systematisch die Korrektur der Projektionsfehler und der wahrgenommenen Geschwindigkeit. Um zu vermeiden, dass sich diese Verfälschung negativ auf unsere Interaktion mit der Umwelt auswirkt, muss das Gehirn erneut eingreifen. In der kritischen Phase von Handlungen, die bewegte Objekte betreffen, beispielsweise dem Fangen eines Balls, werden Sakkaden daher aktiv vom Gehirn vermieden (Goettker et al., 2019).

Kein Musterschüler, aber dennoch erfolgreich. Die Informationsverarbeitung unseres Gehirns ist wahnsinnig komplex, wie wir am Beispiel der Wahrnehmung von bewegten Objekten und Geschwindigkeiten erkennen können. Durch Bild 3: Das Gehirn ist vielleicht kein Ass in Physik, dafür aber ziemlich einfallsreich.Herausforderungen, wie die beschriebenen Probleme der Sehschärfe, Bewegung und Netzhautprojektion, ist das Gehirn nicht in der Lage, unsere Wahrnehmung der Umwelt nach den Regeln der Physik zu berechnen. Stattdessen hat es aber gelernt, mit diesen Problemen umzugehen und ein Arsenal an Kompensationsmechanismen entwickelt. Das Gehirn ist vielleicht kein Ass in Physik, dafür aber ziemlich einfallsreich.

Bildquellen

Bild 1: Shutterbug75 via Pixabay (https://pixabay.com/de/photos/verwischen-pendeln-lokomotive-metro-1239439/, Lizenz:https://pixabay.com/de/service/license/).

Bild 2: Eigentum des Autors.

Bild 3: chenspec via Pixabay (https://pixabay.com/de/illustrations/die-gl%C3%BChbirne-gehirn-geist-566..., Lizenz: https://pixabay.com/de/service/license/).

Literaturverzeichnis

Binda, P., & Morrone, M. C. (2018). Vision during saccadic eye movements. Annual Review of Vision Science, 4, 193-213. doi:10.1146/annurev-vision-091517-034317

Fechner, G. T. (1860). Elemente der Psychophysik (Vol. 2). Breitkopf u. Härtel.

Fooken, J., & Spering, M. (2020). Eye movements as a readout of sensorimotor decision processes. Journal of Neurophysiology, 123(4), 1439-1447. doi: 10.1152/jn.00622.2019

Gellman, R. S., & Carl, J. R. (1991). Motion processing for saccadic eye movements in humans. Experimental Brain Research, 84(3), 660-667. doi: 10.1007/BF00230979

Gilchrist, I. (2011). Saccades. In The Oxford handbook of eye movements. Oxford University Press.

Goettker, A., Braun, D. I., Schütz, A. C., & Gegenfurtner, K. R. (2018). Execution of saccadic eye movements affects speed perception. Proceedings of the National Academy of Sciences, 115(9), 2240-2245. doi: 10.1073/pnas.1704799115

Goettker, A., Braun, D. I., & Gegenfurtner, K. R. (2019). Dynamic combination of position and motion information when tracking moving targets. Journal of Vision, 19(7), 1-22. doi: 10.1167/19.7.2

Goettker, A., Brenner, E., Gegenfurtner, K. R., & de la Malla, C. (2019). Corrective saccades influence velocity judgments and interception. Scientific Reports, 9(1), 1-12. doi: 10.1038/s41598-019-41857-z

Lisberger, S. G. (2015). Visual guidance of smooth pursuit eye movements. Annual Review of Vision Science, 1, 447-468. doi: 10.1146/annurev-vision-082114-035349

Yarbus, A. L. (1967). Eye movements during perception of complex objects. In Eye Movements and Vision (pp. 171-211). Springer, Boston, MA.