Visuelle Wahrnehmung: Wie das Gehirn den Raum erobert

Einem internationalen Forschungsteam ist es gelungen, ohne Eingriff in das menschliche Gehirn nachzuweisen, wie es räumliche Tiefe und Entfernungen wahrnimmt und verarbeitet.

Um die Aktivität kleiner, voneinander abgegrenzter Verarbeitungseinheiten beim Menschen nicht-invasiv sichtbar zu machen, nutzten die Wissenschaftler die hochauflösende Magnetresonanztomografie. Den Forschern zufolge liefern die Studienergebnisse wichtige Hinweise für die Diagnose und mögliche Behandlung zentraler Sehstörungen, die nicht im Auge selbst, sondern im Gehirn entstehen.

„Wir können nun sehr genau verfolgen, wie das Gehirn räumliche Informationen verarbeitet“, so Prof. Andrew Parker, Biologe an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, der die Forschungsarbeit leitete. „Damit verstehen wir besser, wie Störungen der Tiefenwahrnehmung entstehen und wie man sie künftig diagnostizieren oder behandeln könnte.“ Zudem erkläre die Arbeit ein grundlegendes Prinzip der visuellen Orientierung, das für Medizin, Robotik, Virtual-Reality-Systeme und andere technologische Anwendungen von Bedeutung sei.

_{Prof. Andrew J. Parker. Foto©:Jana Dünnhaupt/Uni Magdeburg}

Rezeptive Felder bilden Grundlage für die Verarbeitung der Bildeindrücke

Wer mit beiden Augen sieht, kann Entfernungen und Tiefenunterschiede erkennen, etwa, wenn ein Ball auf einen zufliegt. Die Wahrnehmung der räumlichen Tiefe entsteht aus dem Vergleich der leicht unterschiedlichen Bilder beider Augen. Das Gehirn berechnet diese räumliche Tiefe, indem es die leicht unterschiedlichen Bilder beider Augen miteinander vergleicht.

Bisher war dabei bekannt, dass einzelne Nervenzellen bestimmte Reize wie Form, Bewegung oder Tiefe verarbeiten. Unklar blieb jedoch, wie diese Informationen beim Menschen zusammengeführt und organisiert werden.

Das Team um Parker konnte nun zeigen, dass das Gehirn dafür einzelne Nervenzellgruppen nutzt. Sie reagieren jeweils auf bestimmte Merkmale, etwa auf Form, Bewegung oder eben Tiefe. Diese sogenannten rezeptiven Felder bilden die Grundlage für die Verarbeitung der vielen Bildeindrücke, die unser Gehirn in Sekundenbruchteilen zusammensetzt.

Das Gehirn reagiert besonders fein auf geringe Unterschiede in der Tiefe

Für die Studie betrachteten Versuchspersonen speziell entwickelte 3D-Muster, während ein besonders empfindliches MRT-Gerät ihre Hirnaktivität erfasste. Dabei lagen die Versuchspersonen in einem zylindrischen Kanal, der ein starkes Magnetfeld erzeugt. Sie betrachteten die 3D-Bilder mit einem speziell entwickelten Viewer. Dieser präsentiert dem linken und rechten Auge unabhängig voneinander visuelle Muster. Wenn die Tiefe der Muster verändert wurde, waren kleine Veränderungen im lokalen Blutfluss mit dem MR-Scanner innerhalb des visuellen Kortex mit einer Präzision von 1-2 mm erkennbar.

Aus diesen Daten rekonstruierte das Forschungsteam, wie das Gehirn verschiedene Tiefenstufen verarbeitet. Die Aktivitätsmuster wiesen darauf hin, dass das menschliche Gehirn besonders fein auf geringe Unterschiede in der Tiefe reagiert.

Die Studienergebnisse wurden im Fachjournal „Proceedings of the National Academy of Sciences“ veröffentlicht.

An der Studie waren Forscherinnen und Forscher der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, der Universität Oxford, des Leibniz-Instituts für Neurobiologie in Magdeburg und der Universität Pisa beteiligt.