Interaktion von visueller Wahrnehmung und Kopfbewegungen

Tübinger Neurowissenschaftler erforschen das Zusammenspiel von visueller Wahrnehmung und Kopfbewegungen mittels funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT).

Mit jeder Kopfbewegung verändert sich das Abbild der Umgebung, das die Augen erreicht. Damit die Umwelt dennoch als stabil wahrngenommen wird, muss das Gehirn diese visuelle Information mit der Bewegung des Kopfes verrechnen. Zwei Neurowissenschaftlern vom Werner Reichardt Centrum für Integrative Neurowissenschaften (CIN) der Universität Tübingen ist es erstmals gelungen, per fMRT zu beobachten, was im Gehirn bei dieser Verrechnung geschieht. Ihre Ergebnisse tragen dazu bei zu verstehen, wie sich Virtual-Reality-Anwendungen auf das Gehirn auswirken; sie wurden im Fachmagazin “NeuroImage” veröffentlicht.

Die Umwelt erscheint auch dann stabil, wenn man sich in ihr bewegt. Das liegt daran, dass das Gehirn einen ständigen Abgleich der Sinne vornimmt: So werden visuelle Reize mit dem Gleichgewichtssinn, der relativen Stellung von Kopf zu Körper oder der Rückmeldung von ausgeführten Bewegungen in Einklang gebracht. Die Folge: Auch wenn man geht oder rennt, schwankt die Wahrnehmung der Welt nicht. Anders ist das aber, wenn visuelle Reize und die Wahrnehmung der eigenen Bewegung nicht zusammenpassen.

“Diese Erfahrung hat vielleicht schon gemacht, wer einmal mit einer Virtual-Reality-Brille in fremde Welten eingetaucht ist”, erklärt die Universität Tübingen. VR-Brillen erfassten zwar kontinuierlich die Kopfbewegung des Trägers und der Computer passe die visuelle Darbietung entsprechend an. Dennoch führe längeres Tragen der Brillen bei manchen Anwendern zu Übelkeit.

Wie harmonisiert das Gehirn visuelle Wahrnehmung und Bewegung?
“Bisher versteht die Neurowissenschaft die Mechanismen, die im Gehirn visuelle Wahrnehmung und Bewegung harmonisieren, allerdings noch nicht wirklich. Insbesondere nicht invasive Bildgebungsstudien am Menschen, etwa durch fMRT, haben das Problem, dass Bilder nur vom ruhenden Kopf aufgenommen werden können”, heißt es in der Mitteilung weiter.
Mit einer ausgeklügelten Apparatur sei den Tübinger Neurowissenschaftlern Andreas Schindler und Andreas Bartels dennoch das Kunststück gelungen, per fMRT zu beobachten, was im Gehirn geschieht, während sich der Kopf bewegt und dabei zusammenpassende beziehungsweise sich widersprechende Bewegungs- und visuelle Reize wahrgenommen werden. Dazu setzten sie ihren Probanden eine VR-Brille auf und legten sie in einen modifizierten fMRT-Scanner. Computergesteuerte Luftkissen sorgten dafür, dass der Kopf der Probanden nach einer Bewegung blitzschnell fixiert wurde. Während der Kopfbewegung wurden die auf die VR-Brille projizierten Bilder entweder an die Bewegung angepasst, sodass der Eindruck einer stabilen virtuellen Umwelt entstand. Oder die VR-Brille zeigte Bilder, die mit der Kopfbewegung in Konflikt standen. Sobald die Luftkissen den Kopf wieder stabilisiert hatten, wurde das fMRT-Signal aufgezeichnet.

Schindler erklärt die Vorgehensweise so: „Beim Signal, das man mit fMRT misst, handelt es sich nicht um Aktionspotenziale an Neuronen. Vielmehr macht fMRT den Blutfluss und Sauerstoffverbrauch im Gehirn sichtbar, und zwar mit einer Verzögerung von einigen Sekunden. Eigentlich gilt das oft als Nachteil der fMRT. Aber den Moment, in dem das Gehirn der Probanden damit beschäftigt war, Kopfbewegung und VR-Bild in Einklang zu bringen, den konnten wir per fMRT noch Sekunden später aufzeichnen. Da lag der Kopf der Probanden aber schon wieder ruhig auf den Luftkissen. Kopfbewegung und Bildgebung gehen normalerweise nicht zusammen, aber wir haben das System sozusagen ausgetrickst.“

Höhere Aktivierung bestimmter Gehirnareale bei stabiler Umwelt
“Die Forscher konnten so erstmals am gesunden menschlichen Gehirn beobachten, was zuvor nur in Affenversuchen und indirekt an Patienten untersucht werden konnte”, betont die Universität Tübingen. Ihr Ergebnis: Ein Areal im posterioren insularen Kortex wies immer dann höhere Aktivierung auf, wenn VR-Brille und Kopfbewegung dem Probanden eine stabile Umwelt vorgaukelten, nicht aber, wenn beide Signale in Konflikt zueinander standen. Dasselbe traf auch auf eine Reihe weiterer Gehirnareale zu, die eine spezielle Rolle in der Verarbeitung von visueller Information bei Eigenbewegung spielen.

“Der Forschung eröffnen sich nun neue Wege, das neuronale Zusammenspiel von Bewegung und visueller Wahrnehmung wesentlich zielgenauer untersuchen zu können”, heißt es abschließend in der Mitteilung der Universität. “Obendrein zeigen die Ergebnisse der Tübinger Forscher erstmals, was im Gehirn passiert, wenn wir in virtuelle Welten eintauchen und den schmalen Grat zwischen Eintauchen und Übelkeit betreten.”

Publikation:
Andreas Schindler, Andreas Bartels: Integration of Visual and Non-Visual Self-Motion Cues during Voluntary Head Movements in the Human Brain. NeuroImage 172. S. 597–607. 15. Mai 2018. doi: 10.1016/j.neuroimage.2018.02.006