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Mittwoch, 26.07.2017
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Gehirn „lernt“ Lichteinfall

Interpretation von Lichteinfall und räumlicher Umwelt durch Erfahrung geprägt

Um die permanent auf uns einwirkenden komplexen Reize interpretieren zu können, nutzt unser Gehirn Annahmen über die Umgebung. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für biologische Kybernetik und der britischen University of Southampton haben jetzt nachgewiesen, dass Grundannahmen, wie das von oben kommende Licht, beim Menschen nicht genetisch verankert sind, sondern je nach konkreter Erfahrung angepasst werden. Dies belegt die besondere Fähigkeit des menschlichen Gehirns, sich an wechselnde Umweltbedingungen flexibel anpassen zu können, so die Forscher in einer Vorab-Veröffentlichung in Nature Neuroscience.
Krater oder Hügel?

Krater oder Hügel?

Einerseits sind es die Informationen von den verschiedenen Sinnesorganen, wie Auge, Nase oder Haut, die unsere Wahrnehmung bestimmen. Andererseits spielen dabei auch Vorwissen und Vorannahmen über unsere Umwelt eine Rolle. Dieses Zusammenspiel zwischen momentaner Sinnesinformation einerseits und Vorwissen andererseits lässt sich an Beispielen eindrucksvoll zeigen. So ist für die meisten Betrachter auf dem linken Teilbild der Abbildung ein Krater zu sehen. Hingegen wird das rechte Teilbild zumeist als Hügel wahrgenommen. Beide Interpretationen sind jedoch nicht eindeutig. Das merkt man sofort, wenn man das Bild auf den Kopf dreht - nun sollte sich die Interpretation der Bilder umkehren. Tatsächlich handelt es sich nämlich bei den beiden Abbildungen um exakt das gleiche Bild, nur dass die rechte Version um 180 Grad gedreht ist.

Alles eine Frage des Standpunkts


Wie kommt es zu dieser doppeldeutigen Interpretation? Um das Bild zu interpretieren, stellt das Gehirn Vorannahmen darüber an, aus welcher Richtung das Licht einfällt. Da das Licht in unserer Welt meistens von oben kommt, durch die Sonne, Deckenbeleuchtung oder ähnliches, ist es für das Gehirn vernünftig, dieses Vorwissen bei der Interpretation der Bilder zu benutzen. Unter dieser Vorannahme - das Licht kommt von oben - ist es die einzige "richtige" Interpretation, das linke Teilbild als Krater zu sehen und das rechte als Hügel. Würde unser Gehirn jedoch die Vorannahme machen, das Licht käme von unten, so dreht sich die Interpretation exakt um - das linke Teilbild würde dann als Hügel und das rechte als Krater gesehen, jedoch dann nicht am Boden, sondern an der Decke. Mathematisch lässt sich dieses Zusammenspiel zwischen Sinnesinformation und Vorwissen sehr gut mit der von Bischof Thomas Bayes 1763 entwickelten Wahrscheinlichkeitstheorie beschreiben, in der das Vorwissen mit Hilfe von "Priors", der "a-priori Wahrscheinlichkeitsverteilung", beschrieben wird. In dem illustrierten Beispiel gäbe es also einen Prior für "Licht von oben".

Augen durch Tastsinn ausgetrickst


Marc Ernst vom Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik in Tübingen ist nun zusammen mit seinen Kollegen Wendy Adams und Erich Graf von der University of Southampton der Frage nachgegangen, wie das Gehirn zu solchen Vorannahmen kommt: Sind diese angeboren und somit genetisch bestimmt oder lassen sich solche fundamentalen Priors, wie die "Licht von oben"-Annahme, aus der Häufigkeit des Auftretens erlernen? Dazu benutzten die Forscher ähnlich doppeldeutige Stimuli wie die im linken Bild und untersuchten die Wahrnehmung von Versuchspersonen jeweils vor und nach einem interaktiven Training. Bei diesem Training konnten die Versuchspersonen die Stimuli nicht nur sehen, sondern auch für ca. 1,5 Stunden mit ihren Fingern abtasten. Der Trick dabei war nun, dass während des Trainings das visuelle Bild und damit der Bereich des Lichteinfalls, bei dem sich die Objekte als Hügel anfühlen, um 30 Grad gedreht wurde. Dadurch stimmte der gefühlte Eindruck nicht immer mit der visuellen Wahrnehmung überein und einige der Objekte, die vor dem Training als Hügel gesehen wurden, fühlten sich nun wie ein Loch an und umgekehrt.


Das Ergebnis dieser Experimente war, dass sich tatsächlich aufgrund dieses interaktiven Trainings die Wahrnehmung der Probanten veränderte - einige der "Krater" wurden plötzlich als "Hügel" gesehen. Wie die Forscher ermittelten, war die "Licht von oben"-Annahme durch das Training um durchschnittlich circa elf Grad gedreht. Da normalerweise auch die scheinbare Helligkeit eines Objekts von seiner Orientierung zum Lichteinfall abhängt, sollte eine generelle Änderung der "Licht von oben"-Annahme auch die Wahrnehmung der Helligkeit von Objekten verändern. Tatsächlich zeigte sich, dass den Probanden Objekte nach dem Training unterschiedlich hell erschienen - in Übereinstimmung mit der Änderung der angenommenen Lichteinfallsrichtung.

Hühner sind weniger flexibel


Die Forscher gelang damit der Nachweis, dass selbst solche fundamentalen Vorannahmen, wie die "Licht von oben"-Annahme, nicht genetisch verankert sind, sondern ständig auf der Basis der statistischen Regelmäßigkeit, mit der sie in der Umgebung auftreten, innerhalb relativ kurzer Zeit erlernt und angepasst werden. Das steht jedoch im Gegensatz zu Versuchen, die mit anderen Spezies, wie zum Beispiel Hühnern, durchgeführt wurden, die ebenfalls eine "Licht von oben"-Annahme machen, die aber bei diesen Tieren genetisch verankert zu sein scheint. Insgesamt unterstreichen diese Ergebnisse die extrem gute Anpassungsfähigkeit des menschlichen Gehirns und dass sich die Wahrnehmung je nach individueller Lerngeschichte und Vorwissen von Mensch zu Mensch unterscheidet.
(Max-Planck-Gesellschaft, 08.09.2004 - ESC)
 
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