Visuelle Wahrnehmung: Wie unser Gehirn zugleich spezialisiert und flexibel ist

Wie schafft es unser Gehirn, Menschen, Objekte und Orte zuverlässig zu erkennen und gleichzeitig flexibel auf neue Situationen zu reagieren? Diese Frage steht im Mittelpunkt einer Studie von Forschenden der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU). Sie zeigt, dass unser Gehirn gleichzeitig spezialisiert und flexibel ist.

Lange gingen Forschende davon aus, dass es im menschlichen Gehirn klar abgegrenzte „Spezialgebiete“ für die Wahrnehmung gibt, etwa für Gesichter, Körper oder Orte. Diese Bereiche reagieren besonders stark, wenn wir genau diese Kategorien sehen. Die neue Studie zeigt nun: Diese spezialisierten Regionen sind vielseitiger als bisher angenommen. Sie verarbeiten gleichzeitig mehrere Arten von Bildinformationen. Diese Informationen lassen sich flexibel kombinieren. Die Forschen haben ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Journal of Neuroscience“ veröffentlicht.

Auf der Suche nach wiederkehrenden Aktivitätsmustern im Gehirn

Das Forschungsteam analysierte einen der bisher größten Datensätze funktioneller MRT-Aufnahmen zur natürlichen Bildwahrnehmung. Mit einer funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) lässt sich messen, welche Bereiche des Gehirns aktiv werden, während Menschen bestimmte Aufgaben erledigen. In der Studie betrachteten die Versuchspersonen viele verschiedene Alltagsbilder, während ihre Hirnaktivität aufgezeichnet wurde.

Mit einer datengesteuerten Auswertungsmethode suchten die Forschenden nach wiederkehrenden Aktivitätsmustern im Gehirn. Dabei identifizierten sie mehrere „Dimensionen” der Bildverarbeitung, also grundlegende Bildeigenschaften wie das Vorkommen von Personen, Gesichtern oder Händen. Zudem untersuchten sie, ob eine Szene drinnen oder draußen spielt.

Visuelles System ist nicht in streng getrennte Bereiche aufgeteilt

Das Ergebnis lässt sich mit dem Bild einer Meereslandschaft veranschaulichen: Bislang sah man vor allem einzelne Inseln aus dem Wasser ragen, die bekannten spezialisierten Regionen. Mit ihrer Studie sind die Forschenden gewissermaßen unter die Wasseroberfläche getaucht. Und sie konnten dort eine viel komplexere Landschaft erkennen.

„Dieselben Dimensionen ziehen sich als zusammenhängende Muster über weite Teile des visuellen Systems und verbinden somit die „Inseln“ miteinander“, erklärt Erstautor Leonard van Dyck. „Das visuelle System ist offenbar nicht in streng getrennte Bereiche aufgeteilt. Selbst Bereiche, die bisher als hochgradig spezialisiert galten, tragen also vermutlich weit mehr zur Bildverarbeitung bei als nur zu ihrer bevorzugten Kategorie.“

Dass spezialisierte Regionen mehrere Dimensionen nutzen, die sich für ganz unterschiedliche Aufgaben kombinieren lassen, konnten die Forschenden durch die fMRT-Aufnahmen direkt im Gehirn sehen. Diese Dimensionen sind also nicht nur ein theoretisches Konstrukt. „Genau dieses Zusammenspiel von Spezialisierung und Flexibilität könnte erklären, wie unser visuelles System gleichzeitig präzise und erstaunlich anpassungsfähig bleibt“, so Prof. Katharina Dobs, Professorin für Angewandte Informatik mit dem Schwerpunkt Kognitive Systeme am Institut für Informatik der JLU.

Multidimensionalen Organisation: Gemeinsames Verarbeitungssystem trotz spezialisierter Hirnregionen

Die Studie löst damit einen scheinbaren Widerspruch auf: Spezialisierte Hirnregionen und ein gemeinsames Verarbeitungssystem sind keine Gegensätze, sondern zwei Seiten derselben multidimensionalen Organisation. „Dieses Prinzip vertieft nicht nur unser Verständnis des menschlichen Sehens“, sagt Prof. Martin Hebart, Professor für Computational Cognitive Neuroscience and Quantitative Psychiatry am Fachbereich Medizin der JLU. „Es könnte auch als Vorbild für die Entwicklung künstlicher Bildverarbeitungssysteme dienen.“