Wie das Gehirn sich selbst überlistet um Tiefe wahrzunehmen

Eine Versuchsperson betrachtet durch Spiegel ein Random-Dot-Stereogramm
(c) Jörg Abendroth / MPI for Biological Cybernetics, 2021

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, die nun in der Fachzeitschrift Vision Research erschienen ist, zeigt, dass bestimmte widersprechende visuelle Signale für die Wahrnehmung von räumlicher Tiefe vom Gehirn unterdrückt werden, wenn es dafür genügend Zeit hat. Die Forschungsergebnisse liefern algorithmische Details für eine seit langem diskutierte Hypothese über die Zusammenarbeit der verschiedenen visuellen Zentren im Gehirn.

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.

Neuronen für die Wahrnehmung von „nah” und von „fern“ tauschen die Rollen

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. 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.

Höhere Sehzentren senden Feedback und fordern mehr Informationen an

„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. „Wir haben sogar einige andere Fälle entdeckt, in denen das Gehirn die schwarz-weißen Paare nutzen kann, um eine verbesserte Tiefenwahrnehmung zu konstruieren, und derartige Phänomene können wir ganz ähnlich erklären.“ Für Li Zhaoping ist diese Studie nur ein Schritt auf ihrem Weg zu einem umfassenderen Verständnis des Sehens: „Diese Ergebnisse ermutigen dazu, weiter zu prüfen, wie die höheren visuellen Areale mit dem primären visuellen Kortex interagieren, damit wir so die zugrundeliegenden neuronalen Mechanismen und die Folgen für die Wahrnehmung aufdecken können.“

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Li Zhaoping
li.zhaoping@tuebingen.mpg.de
+49 7071 601-610
Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik
Tübingen

Originalpublikation:

Li Zhaoping: Contrast-reversed binocular dot-pairs in random-dot stereograms for depth perception in central visual field: Probing the dynamics of feedforward-feedback processes in visual inference. Vision Research, Volume 186, September 2021, S. 124-139

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