• Die Gleitsichtbrille im Gehirn

     

Das Gehirn nimmt visuelle Reize wie durch eine Gleitsichtbrille wahr

Sehinformationen aus dem nahen und fernen Sichtfeld werden im Gehirn mit unterschiedlicher Genauigkeit verarbeitet. Das ähnelt dem Prinzip einer Gleitsichtbrille, erklären die Entdecker des Phänomens.

Wie unser Gehirn visuelle Reize ober- und unterhalb des Horizonts verarbeitet, hat ein Forscherteam um Dr. Ziad Hafed vom Werner Reichardt Centrum für Integrative Neurowissenschaften (CIN) der Universität Tübingen untersucht. Die Wissenschaftler konnten bei Primaten nachweisen, dass Teile des Sichtfeldes im Colliculus superior – einem Teil des Mittelhirns, der bei der visuellen Wahrnehmung und dem Verhalten eine zentrale Rolle spielt – asymmetrisch repräsentiert sind: Für das obere Sichtfeld steht mehr Gehirngewebe zur Verfügung als für das untere. Visuelle Reize oberhalb des Horizonts werden daher schärfer, präziser und schneller verarbeitet, ähnlich als trage unser Gehirn eine Gleitsichtbrille.

Beim Sehen nehmen wir die Welt praktisch ohne bewusste Absicht wahr. Wir sehen in der Mitte unseres Sichtfeldes – entlang der Blickachse – besser als in der Peripherie. Nimmt das Gehirn ein interessantes Objekt in der Peripherie wahr, löst es automatisch eine Augenbewegung aus, so dass die Blickachse durch das Objekt verläuft und tiefenscharf wahrgenommen werden kann.

Das Phänomen ist durch die Dichte der Fotorezeptoren im Zentralbereich unserer Netzhaut, der Fovea, bedingt, aber auch im Gehirn repräsentiert. Es zeigt sich in jenen Hirnstrukturen, die Reize aus der Fovea verarbeiten. So ist im Colliculus superior (CS) mehr Hirngewebe auf die Verarbeitung fovealer Signale ausgerichtet als auf die von peripheren Signalen, ein Phänomen, das auch als foveale Vergrößerung bezeichnet wird.

In seinen Untersuchungen konnte die Arbeitsgruppe um Hafed zeigen, dass auch andere Teile des Sichtfeldes im CS „vergrößert“ werden, was zugleich bedeutet, dass das bisher angewandte Modell des CS nicht ausreicht. Denn es geht davon aus, dass der CS die Welt quasi wie durch ein Vergrößerungsglas betrachtet: Je zentraler ein Objekt im visuellen Feld lokalisiert ist, desto spezifischer sprechen bestimmte Neuronen darauf an und desto mehr Neuronen sind darauf spezialisiert, das Signal zu verarbeiten.

Das von den Tübinger Forschern entwickelte Modell modifiziert diese Vorstellung, indem es neben der fovealen Vergrößerung eine Vergrößerung des oberen Sichtfeldes annimmt. So konnten die Wissenschaftler zeigen, dass die obere Hälfte des Sichtfeldes im CS durch Wahrnehmungsfelder repräsentiert wird, die wesentlich engmaschiger sind, feiner auf die Struktur empfangener Bilder abgestimmt und empfindlicher für Kontraste. Das untere Sichtfeld dagegen hat im CS eine geringere „Auflösung“, sodass die „Linse“ im CS de facto eher wie eine Gleitsichtbrille funktioniert.

Hafed geht davon aus, dass die resultierende Asymmetrie der neuralen Repräsentation an unsere Umweltbedingungen angepasst ist. Weiter entfernte Objekte hinterlassen auf der Netzhaut kleinere Bilder als naheliegende Gegenstände. Um sinnvoll und schnell auf nahe Objekte reagieren zu können, benötigen wir daher keine so hohe Auflösung wie bei weit entfernten.

„In unserer dreidimensionalen Umgebung sind Objekte im unteren Sichtfeld meist nah an uns dran. Ein Beispiel wären die Anzeigen im Armaturenbrett beim Autofahren“, erklärt der Wissenschaftler. „Weiter entfernte Objekte dagegen, zum Beispiel eine vor uns liegende Straßenkreuzung, befinden sich im oberen Sichtfeld. Um uns auf solche entfernteren Objekte zu konzentrieren, brauchen wir logischerweise eine höhere Auflösung im oberen Sichtbereich“.

Die Ergebnisse der Arbeitsgruppe könnten sich für das Design der Benutzeroberfläche von Augmented Reality (AR)- und Virtual Reality (VR)-Systemen als nützlich erweisen. Diese Systeme verfügen über große Displays, die fast das gesamte visuelle Feld abdecken. Das bietet Freiheitsgrade, visuelle Informationen zu platzieren, wobei es derzeit eine technische Herausforderung ist, diese Platzierung für den Menschen zu optimieren. Da die „Gleitsichtbrille“ im CS schnellere und präzisere Augenbewegungen im oberen Sichtfeld ermöglicht, könnten wichtige Informationen, die eine schnelle Verarbeitung erfordern, in AR und VR entsprechend angeordnet werden.

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