Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Die Mathematik der Sinne

24.01.2002


Max-Planck-Forscher weisen nach, dass unser Gehirn visuelle und haptische Eindrücke statistisch optimal zusammenführt

Der Mensch nutzt alle Sinne, um Objekte wahrzunehmen. So können wir einen Apfel hören, wenn er zu Boden fällt, ihn liegen sehen, in die Hand nehmen und aufheben, daran riechen und dann hineinbeißen. All diese Sinneseindrücke integriert unser Gehirn zur komplexen Wahrnehmung des Apfels. Welche der Sinnesdaten dafür gerade entscheidend sind, hängt davon ab, was wir mit dem Objekt weiter vorhaben. Möchten wir nur die Größe beurteilen, so sind wir eher visuell orientiert, wollen wir hingegen die Rauheit seiner Oberfläche abschätzen, ist unser Tastsinn der bessere Ratgeber. Je nach Fragestellung geben wir also den Sinnesdaten, die Augen und Hände liefern, unterschiedliches Gewicht - und zwar abhängig davon, wie verlässlich diese Eindrücke sind. Marc Ernst vom Tübinger Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik hat jetzt zusammen mit seinem Kollegen Martin Banks von der University of California in Berkeley herausgefunden, dass unser Gehirn bei der Verrechnung der visuellen und haptischen Sinneseindrücke eindeutig nach statistisch optimalen Maßstäben vorgeht (nature, 24. Januar 2002).

So wie physikalische Messgeräte immer eine kleine Fehlertoleranz haben, sind auch unsere Sinnesorgane nicht perfekt: Alle dem Gehirn gemeldeten Eindrücke sind auf ihre Art mehr oder weniger "verrauscht". Bei der Wahrnehmung sollte das Gehirn jedoch alle zur Verfügung stehenden Informationsquellen möglichst optimal nutzen. Dass unsere Hände auch als "Sehhilfen" dienen können, manuelles Abtasten die visuelle Wahrnehmung also gezielt und nachhaltig beeinflusst, hatten die Forscher bereits in früheren Experimenten nachgewiesen (vgl. PRI B 3 / 2000 (6) - "Wer sehen will, muss fühlen"). Je verrauschter und damit unsicherer die Sinnesdaten z.B. beim Tasten sind, desto weniger Gewicht sollten diese im Wettbewerb mit den anderen Informationsquellen (beispielsweise dem Sehen) bekommen. Mathematisch betrachtet würde ein statistisches Modell, die so genannte Maximum-Likelihood-Schätzmethode, die optimale Kombination liefern, mit der die unterschiedlich verlässlichen Signale zu verrechnen sind, damit das Gesamtrauschen minimiert wird. Nur auf diese Weise könnten alle zur Verfügung stehenden Sinnesinformationen über ein Objekt so sinnvoll wie möglich ausgeschöpft werden.

Die Wissenschaftler haben nun mit folgendem Experiment gezeigt, dass unser Gehirn bei der Wahrnehmung tatsächlich genau so vorgeht wie es ein Mathematiker tun würde: Die Versuchspersonen hatten die Aufgabe, die Größe zweier balkenförmiger Objekte zu vergleichen. Diese Balken konnten sie sowohl sehen als auch betasten. Aus den Fehlern, die die Versuchspersonen beim Vergleichen machen, können die Forscher dann schließen, wie verlässlich die sensorischen Signale der verschiedenen Sinne im Gehirn verarbeitet werden.

"Abb.: Im oberen Teilbild ist die Versuchsapparatur abgebildet, im unteren das Testobjekt. Die Versuchspersonen sehen in einem Spiegel das Testobjekt, das in einem kopfüber aufgehängten Monitor erzeugt wird. Der zu ertastende Balken wird unterhalb des Spiegels mit Hilfe zweier Kraftüberträger (PHANToMs der Firma SensAble Technologies) simuliert. Im unteren Teilbild ist zu sehen, wie mit dieser Apparatur eine Diskrepanz zwischen dem gefühlten und gesehenen Balken erzeugt werden kann. Der "sichtbare" Balken besteht aus einem Zufallspunktemuster, das mit Rauschen in der Tiefe versehen werden kann, um die Verlässlichkeit des visuellen Signals zu manipulieren"

Mithilfe eines trickreichen Versuchsaufbaus, bei dem die Testobjekte virtuell am Computer erzeugt werden, war es den Forschern möglich, das visuell wahrnehmbare und das zu ertastende Objekt unabhängig voneinander zu manipulieren. Sie erzeugten damit eine Diskrepanz zwischen den beiden Objekten und untersuchten dann, ob sich die Versuchspersonen mehr an dem visuellen oder mehr an dem ertasteten Eindruck orientierten. Auf diese Weise ermittelten die Wissenschaftler die Gewichtung der Signale untereinander und stellten fest, dass das Verhalten der Versuchpersonen exakt mit den Vorhersagen des statistischen mathematischen Modells übereinstimmte: War die Größe des Objekts klar und deutlich zu sehen, dominierte der visuelle Eindruck; wurde das Bild jedoch "vernebelt", indem die Experimentatoren das Zufallspunktemuster, das den Balken im Computer definierte, dreidimensional verrauschten, dominierte die ertastete Größe - und zwar genau in dem Maß, wie vom statistischen Modell vorausgesagt.

Weitere Forschungen am Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik in Tübingen sollen nun aufdecken, wie wir diese statistisch optimale Leistung tatsächlich vollbringen und auf welche Weise dieses Zusammenspiel von Sehen und Fühlen im Gehirn neuronal repräsentiert wird.

Dr. Marc O. Ernst | Presseinformation

Weitere Berichte zu: Eindrücke Mathematik Sinnesdaten Wahrnehmung

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Interdisziplinäre Forschung:

nachricht Neues Verbundprojekt erforscht die neurodegenerative Erkrankung Morbus Alzheimer
12.09.2017 | Universitätsklinikum Würzburg

nachricht Damit sich Mensch und Maschine besser verstehen
04.09.2017 | Technische Universität Chemnitz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Interdisziplinäre Forschung >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zum Biomining ab Sonntag in Freiberg

22.09.2017 | Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

DFG bewilligt drei neue Forschergruppen und eine neue Klinische Forschergruppe

22.09.2017 | Förderungen Preise

Lebendiges Gewebe aus dem Drucker

22.09.2017 | Biowissenschaften Chemie