Auge und Gehirn
Ein Einblick für Interessierte
Ein Einblick für Interessierte
Hier erwartet Sie eine spannende Einführung zur visuellen Signalverarbeitung.
Fühlen Sie sich herzlich eingeladen und überfahren Sie mit der Maus die Zahlenfelder der Reihe nach!
Helge Lamm
Bitte vergleichen Sie die Farben der Felder A und B miteinander.
Sie werden es kaum glauben: Die beiden Flächen haben genau die gleiche Farbe! Wie diese Täuschung funktioniert, erfahren Sie wenig später.
Sehen Sie auf eine Kreuzung der weißen Linien in diesem Gitter. Achten Sie dabei auf die anderen Kreuzungen, ohne sie direkt anzusehen.
An diesen Kreuzungsstellen tauchen graue Punkte auf, die in der Abbildung gar nicht existieren. Auch dieses Phänomen decken wir gleich auf.
Der Physiologe Ludimar Hermann hat dieses Phänomen bereits 1870 entdeckt.
Um die Ursachen dieser Phänomene zu finden, betrachten wir zuerst den Aufbau des menschlichen Auges.
Dies ist eine Skizze eines Augapfel-Querschnitts.
Der Sehvorgang basiert auf der Reizung von Sinneszellen durch Licht, das von den jeweiligen Dingen, die wir betrachten, reflektiert wird.
Dieses Licht passiert zuerst die Hornhaut (blau). Diese bricht das Licht, so dass es durch die ...
in das Innere des Auges gelangen kann. Die Pupille ist eine Öffnung in der Iris (grün).
Je nach Helligkeit des Lichtes vergrößert oder verkleinert sich die Pupille. Sie erscheint und als schwarzer Punkt in der Mitte eines Auges.
Durch die Linse (hell) wird das Licht ein weiteres mal gebrochen, damit das Gesehene auf der Netzhaut (nächste Seite) scharf abgebildet werden kann.
Die Linse kann durch den Zilliarmuskel (rot) eine flache oder eine eher rundliche Form annehmen. So können wir Objekte in verschiedenen Entfernungen scharf sehen.
Das Licht trifft nun auf die Netzhaut (rosa). Sie besteht aus etwa 120 Millionen lichtempfindlichen Sinneszellen und mehr als doppelt so vielen weiteren Nervenzellen, die ein netzartiges Geflecht bilden.
Diese Sinneszellen werden vom Licht gereizt und wandeln diesen Reiz in die Sprache unserer Nervenzellen, elektrische Potentiale, um.
Diese werden über den Sehnerv an das Gehirn weitergegeben.
Betrachten wir zum Beispiel eine Kerze, wird diese wegen der Lichtbrechung von Hornhaut und Linse verkehrt herum auf der Netzhaut abgebildet.
Betrachten wir den Aufbau der Netzhaut genauer.
Wie können wir Farben sehen? Weshalb dauert es so lange, bis wir im Dunkeln eine ausreichende Sehkraft entfalten?
Eine Antwort auf diese Fragen liefert der Aufbau der Netzhaut.
Bevor das Licht die Sinneszellen erreicht, durchdringt es ein Geflecht von Nervenzellen, die alle mit der Signalverarbeitung im Auge zu tun haben.
Denn die Licht-Sinneszellen oder Photorezeptoren sind nicht dem Licht zugewandt, sondern zeigen in die andere Richtung.
Es gibt zwei Typen von Photorezeptoren: St�bchen und Zapfen. Beide besitzen kleine Scheiben 
mit Substanzen, die bei Lichteinfall ihre Struktur verändern.
Der eine Typ sind die Stäbchen (grau). Sie nehmen Helligkeitsunterschiede wahr und sind vor allem in Dämmerung und Dunkelheit aktiv. Bei Helligkeit sind sie "überblendet" und geben keine Bildinformationen weiter.
Tritt man in einen abgedunkelten Raum, so dauert es eine Weile, bis sich die Augen an die Dunkelheit "gewöhnt" haben. Dies liegt daran, dass die Stäbchen eine gewisse Zeit benötigen, um ihre lichempfindlichen Substanzen wieder aufzubauen.
Bei Helligkeit sind die Zapfen aktiv. Sie ermöglichen uns das Farbensehen.
Es gibt rot-, grün- und blauempfindliche Zapfen. Alle weiteren Farben werden durch Kombination dieser drei Grundtypen wahrgenommen.
Nachts oder bei Dunkelheit sehen wir nicht mit den Zapfen, sondern nur mit Stäbchen. Daher können wir dann lediglich Grautöne wahrnehmen, jedoch keine Farben.
"Nachts sind alle Katzen grau!"
Die Photorezeptoren (also Stäbchen und Zapfen) erzeugen aus dem Lichtreiz ein elektrisches Signal. Dieses wird von den Ganglienzellen
(= "Knoten"zellen, gelb) in das Gehirn weitergeleitet.
Im Sehnerv, der Auge und Gehirn verbindet, sind 1 Million Ganglienzellen gebündelt.
Doch wie kann die Information von 120 Millionen Photorezeptoren über ein Bündel von nur 1 Million Ganglienzellen übetragen werden?
Photorezeptoren und Ganglienzellen sind über Bipolarzellen (violett) miteinander verbunden.
Die Verschaltung ist so organisiert, dass mehrere Photorezeptoren mit einer einzigen Ganglienzelle verbunden sind.
Aber das ist nicht der einzige Grund der Reduzierung auf nur 1 Million Fasern im Sehnerv ...
Es gibt noch zwei weitere Zelltypen, der zur Reduktion der Nervenfasern beitragen:
Dies sind Horizontal- und Amakrinzellen. Sie verbinden sowohl Photorezeptoren als auch Ganglienzellen seitlich (= lateral) miteinander.
Trifft Licht auf einen Photorezeptor, können betimmte Horizontalzellen bewirken, dass das Signal der um diesen Rezeptor liegenden Zellen unterdrückt wird.
Das Ergebnis dieser Unterdrückung ist eine Kontrastverstärkung. Diese hilft bei der Wahrnehmung von Ecken und Kanten.
ist die Stelle auf der Netzhaut mit der höchsten Dichte an Photorezeptoren. Hier befinden sich nur Zapfen und keine Stäbchen.
Jeder Zapfen ist hier 1:1 mit einer Ganglienzelle verbunden, es gibt keine seitliche Verschaltung über Horizontalzellen. Daher ist dies die Stelle der schärfsten Sehens.
Nun lässt sich auch der Effekt der grauen Punkte erklären beim ...
Dieser Effekt kommt von der seitlichen Verschaltung der Photorezeptoren.
Die Mitellpunkte der Krezuungsstellen erscheinen dunkler, da hier vier schwarze Ecken aufeinander treffen und an allen Ecken eine Kontrastverstärkung vorgenommen wird. Da die weißen "Straßen" relativ schmal sind, sehen wir an diesen Stellen graue Punkte.
Im Zentrum des schärfetsn Sehens gibt es diesen Effekt nicht, da es hier auch keine seitliche Verschaltung in der Netzhaut gibt.
Es gibt noch einen weiteren besonderen Punkt auf der Netzhaut.
Hier treten die Fasern der Ganglienzellen aus dem Auge aus und bilden von da an den Sehnerv.
Auf diesem Austrittsbereich können sich keine Photorezeptoren befinden, daher sind wir für Lichteinflüsse an dieser Stelle blind.
Dies lässt sich mit einem einfachen Experiment eindrucksvoll beweisen:
Halten Sie sich das linke Auge mit der Hand zu und sehen Sie mit dem rechten Auge auf das Herz.
Fangen Sie mit einem Abstand von etwas 30 cm vom Bildschirm an und variieren Sie diesen dann. Die Nase sollte sich ungefähr in der Mitte der beiden Zeichen befinden. Bei richtigem Abstand vom Bildschirm verschwindet das X, es ist nur noch weiße Fläche zu sehen.
Dies ist der Bereich des blinden Flecks, der unter Normalbedingungen beim Sehen mit zwei Augen nicht auffällt.
Betrachten wir nun den Weg der visuellen Information vom reflektierten Licht eines Objekts bis zu den Verarbeitungszentren im Gehirn.
Auf der Abbildung sind die Skizze eines menschlichen Gehirns von unten sowie die beiden Augäpfel zu sehen.
Genau wie bei der umgekehrten Abbildung der Kreze auf der Netzhaut, wird auch alles, was sich in unserem rechten Gesichtsfeld befindet (gelger Balken), auf der Netzhaut links abgebildet.
Ebenso verhält es sich mit der Abbildung des linkes Gesichtsfeldes.
Dieses wird auf der rechten Netzhauthälfte abgebildet.
Die visuellen Informationen beider linken Netzhauthälften gelangen über die beiden Sehnerven in die linke Gehirnhälfte.
Sie erreichen das Gehirn genau genommen im linken seitlichen Kniehöcker des Thalamus.
Analog hierzu gelangen die Informationen der rechten Netzhauthälften über die Sehnerven in die rechte Gehirnhälfte.
Sie erreichen hier den rechten seitlichen Kniehöcker des Thalamus.
Für diese Aufteilung der Signalwege bedarf es der Sehnervkreuzung.
Hier wechselt etwa jeweils die Hälfte der Nervenfasern die Seite.
Von den seitlichen Kniehöckern des Thalamus aus werden die visuellen Signale weitergeleitet in den Visuellen Cortex.
Das ist der Bereich der Gehirnoberfläche (= Cortex), welcher die erste Station der Signalverarbeitung im Großhirn darstellt.
Mann nennt diesen Bereich daher auch primären visuellen Cortex oder einfach V1.
Von V1 aus geschieht eine Weiterleitung an viele weitere Areale (= Bereiche) auf dem Cortex, die schließlich in der Wahrnehmung des Gesehenen mündet.
Diese Areale sind nicht alle wie Kettenglieder hintereinander geschaltet, sondern arbeiten teilweise gleichzeitig an verschiedenen Aspekten der visuellen Wahrnehmung.
So gibt es beispielsweise getrennte Kanäle für Form, Farbe, Bewegung und Raum.
Wir sehen aber nicht ausschließlich auf der Basis der von der Netzhaut gelieferten Informationen.
Sehen hängt immer mit unserer Vorerfahrung, also Bekanntem, zusammen. Sie wird in die Wahrnehmung des Gesehenen mit einbezogen. Die Vorerfahrungen befinden sich bildlich gesprochen in Regionen "weiter oben" im Gehirn.
Man spricht daher von "Top-Down"-Prozessen, also dem Einbeziehen von Informationen "von oben herab".
So erklärt sich auch das Schachbrett-Phänomen:
Da sich Feld B im Schatten des Zylinders befindet, geht unser Gehirn aufgrund unserer Vorerfahrung davon aus, dass Feld B in Wirklichkeit heller sein muss, da es durch den Schatten verdunkelt wird. Umgekehrt verhält es sich mit Feld A, das im "gut ausgeleuchteten" Bereich liegt.
Dass es sich hierbei um eine Täuschung handelt, zeigt die Animation auf der nächsten Seite ...
Sobald die Information "Schatten" ausreichend verdeckt wird, zeigt sich der wirkliche Farbton von Feld B. Er entspricht genau dem des Feldes A.
Hier handelt es sich um ein "Top-Down"-Phänomen, da das Gehirn bereits Bekanntes in die visuelle Wahrnehmung mit einbezieht.
Betrachtet man diesen "Drahtwürfel" ein paar Sekunden lang, so schlägt seine Ausrichtung im dreidimensionalen Raum um.
Eine bestimmte Ecke befindet sich zuerst vorn, und dann hinten (oder umgekehrt).
Auch hier handelt es sich um die Wahrnehmung von breits Bekanntem, den die Linien selbst geben keinen Aufschluss zu Stellung im Raum.
Unser Gehirn schlägt uns abwechselnd zwei Alternativen vor, die für das Raum-Modell gültig sein könnten.
dass Sie bis hier durchgehalten haben!
Auch wenn wir heute schon viele Informationen über die Signalwege im Gehirn haben, ist vor allem die Forschung zur Wahrnehmung noch längst nicht am Ende. Durch neue Entdeckungen ergeben sich auch immer neue Fragen!
Wobei wir aber immer ein kritisches Auge auf die Methoden haben sollten, mit denen Forschung vor allem im Bereich der Physiologie zu ihren Ergebnissen kam.
Eine letzte Frage noch, die es in sich hat:
Wie kommt es, dass der Vollmond machnchmal, wenn er tief über den Häusern steht, so riesengroß erscheint, weit oben am Himmel aber relativ klein?
Ich wünsche Ihnen eine schöne "Reise" beim Finden der Antworten!
Die Angaben in der Präsentation sind teilweise stark reduziert. Bei Interesse empfehle ich folgende Literatur:
© Helge Lamm | Kontakt: info@lammlabs.de