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Visuelle Neurone ausgetrickst: Neue Einblicke in Rekonstruktion der dritten Dimension im Gehirn

07.12.2011
Eine neu entwickelte optische Täuschung gibt Aufschluss über das Geheimnis der Wiederherstellung der dreidimensionalen Gestalt von Objekten durch das Gehirn

So schwindelerregend es auch klingen mag, der Eindruck, dass wir in einer dreidimensionalen Welt leben, ist in Wirklichkeit ein reines Konstrukt unseres Gehirns.


Eine neue optische Täuschung: Zufallsrauschen (links) nimmt eine dreidimensionale Form an (rechts). Abbildung: Roland Fleming/MPI für biologische Kybernetik

Bei der Betrachtung von Gegenständen werden diese auf die Netzhaut projiziert, wobei die gesamte direkte Information über die dritte Dimension verloren geht – vergleichbar mit dem Schattenwurf eines dreidimensionalen Objekts auf eine flache, zweidimensionale Wand. Nur da das Gehirn die dritte Dimension aus einem Bild wiederherstellen kann, leben wir in einer überzeugend dreidimensionalen Welt.

Eine neue Studie einer Gruppe von Forschern am Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik in Tübingen, der Justus-Liebig-Universität Giessen und an der Yale University gibt nun Hinweise darauf, wie Zellen der Sehrinde dazu beitragen können, dieses Geheimnis zu lüften. Die Forscher haben spezielle zweidimensionale Muster entwickelt, die beim Betrachten bestimmte Nervenzellen anregen und dabei einen anschaulichen dreidimensionalen Eindruck hervorrufen. Diese Beobachtungen weisen darauf hin, dass diesen Zellen eine wichtige Rolle bei der Rekonstruktion der dreidimensionalen Gestalt zukommt.

„Für die Erstellung der Abbildungen haben wir Punkte durch Zufallsrauschen generiert und sie entlang bestimmter Muster verwischt. Der Vorgang ähnelt Fingermalerei, nur machen wir es am Computer“, erklärt Roland Fleming, ehemals Projektleiter am Max-Planck-insitut für biologische Kybernetik und jetzt Professor der Psychologie an der JLU Giessen.

„Die Art, wie die Oberflächenstruktur verwischt wird, entspricht nicht dem Prozess der Abbildung der realen, dreidimensionalen Welt. Doch durch diese Verwischungen können wir gezielt die „komplexen Zellen“ der Sehrinde anregen, die die lokale, zweidimensionale Ausrichtung von Mustern in Abbildungen auf der Netzhaut messen.“ Diese Zellen, für deren Entdeckung David Hubel und Torsten Wiesel den Nobelpreis erhielten, werden oft als „Kantendetektoren“ bezeichnet, da sie auf Objektgrenzen oder Kanten in einer Abbildung ansprechen. Bis jetzt war jedoch nicht bekannt, dass sie auch eine Schlüsselrolle bei der Abschätzung der dreidimensionalen Gestalt spielen.

„Um zu dokumentieren, was die Probanden sahen, baten wir sie, kleine Sonden auf den Abbildungen anzupassen. Durch die Einstellungen der Sonden konnten wir genau ablesen, welche dreidimensionalen Formen wahrgenommen wurden”, erklärte Heinrich Bülthoff, Direktor der Abteilung Wahrnehmung, Kognition und Handlung am Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik. „Es ist bemerkenswert, wie genau die Ergebnisse mit den Vorhersagen übereinstimmen, die wir anhand unserer Modelle der Zellantwort erstellt haben.”

Der überzeugendste Hinweis darauf, dass diese Zellen eine Rolle spielen, kam den Forschern zufolge von einem Experiment, in dem Probanden 30 Sekunden lang ein Muster anstarrten, um dadurch die Antwort der Zellen zu beeinflussen. Die so hervorgerufene Anpassung der Zellen führte dazu, das Zufallsrauschen, das normalerweise komplett flach wirkt, eine dreidimensionale Form anzunehmen schien. „Es ist eine Art Nachwirkung, vergleichbar mit dem Eindruck, den man erhält, nachdem man zuvor einige Zeit einen Wasserfall betrachtet hat: Plötzlich scheinen sich Dinge, die eigentlich feststehen, in die entgegengesetzte Richtung zu bewegen. Nur erscheint in unserem Fall das Rauschen dreidimensional”, erläutert Daniel Holtmann-Rice, der zur Zeit an der Yale University promoviert. „Wir hatten nicht gedacht, dass es klappen würde. Wir waren begeistert, als wir die ersten Ergebnisse erhielten, in denen unsere vorhergesagten Muster aus den Einstellungen der Probanden auftauchten.“ Als Nächstes wollen die Forscher untersuchen, ob sich ihre Resultate auch auf andere Informationsquellen zur dreidimensionalen Gestalt, wie etwa Schattierung oder Glanzlichter, übertragen lassen.

Originalpublikation:
Fleming, RW, Holtmann-Rice D & HH Bülthoff (in press). Estimation of 3D shape from image orientations. Proc. Nat. Acad. Sci. USA. published ahead of print December 6, 2011, doi:10.1073/pnas.1114619109
Ansprechpartner:
Heinrich Bülthoff
Telefon: +49 7071 601- 601
E-Mail: heinrich.buelthoff@tuebingen.mpg.de
Roland W. Fleming
Universität Gießen
Telefon: +49 641 9926140
E-Mail: roland.w.fleming@psychol.uni-giessen.de

Dagmar Sigurdardottir | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.tuebingen.mpg.de

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