Prof. Dr. Heinrich Bülthoff: Wahrnehmung – Unser Zugang zur Welt

Wie gelingt es uns, unsere Umwelt wahrzunehmen und mit ihr zu interagieren?
Mit diesen grundsätzlichen Fragen beschäftigen sich Wissenschaftler am
Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik. Sie erforschen die Signal- und Informationsverarbeitung im Gehirn und untersuchen, welche Prozesse
notwendig sind, um aus den vielfältigen Sinnesinformationen ein konsistentes
Bild unserer Umwelt und das dazu passende Verhalten zu erzeugen.

 

Die zarten, rosafarbenen Blüten, die grünen Blätter, der lange Stängel mit den spitzen Stacheln und der einzigartige Geruch lassen uns eindeutig eine Rose als Rose erkennen. Multisensorisch, also mit vielen Sinnen, nehmen wir dieses Stück Außenwelt auf und bilden beziehungsweise festigen ein mentales Abbild von ihm. Eine Aufgabe, die das Gehirn permanent zu bewältigen hat und die es auch mit Leichtigkeit erfüllt. Doch wie gelingt uns diese Verinnerlichung von Dingen, die außer­­halb unseres Körpers existieren? Wie nehmen wir die Welt wahr und wie gelingt es uns weiter, mit ihr zu interagie­­ren? Mit diesen Fragen beschäftigen sich am Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik drei Ab­­teilungen und verschiedene Forschungsgruppen. Anhand ganz unter­­schiedlicher Ansätze und Methoden versuchen sie, die Informationsverarbeitung im Gehirn zu entschlüsseln.

Dem Denken gewissermaßen zuschauen können Wissen­­schaftler der Hochfeld-Magnetresonanz-Abteilung, denn mittels der funktionellen Magnetresonanztomografie (fMRT) werden die Aktivitäten im Gehirn sichtbar gemacht. Mit dem institutseigenen 9,4-Tesla-Magnet­­resonanztomografen, einem der stärksten Human-MRT-Systeme der Welt, können die zurzeit detailreichsten Gehirnscans erstellt werden. Der Fokus der Abteilung Physiologie kognitiver Prozesse liegt auf der Er­­for­schung der neuronalen Strukturen. Durch die Zu­­sam­men­führung aus Experimenten der Psychophysik, der Elektrophysiologie und der MRT wird hier analysiert, an welchen Stellen im Gehirn sensorische Wahrnehmung kodiert und verarbeitet wird. Damit kann die dreidimen­­sionale Karte, die in den vergangenen Jahrzehnten über unser Gehirn angefertigt wurde, immer weiter verfeinert werden. In meiner Abteilung Wahrnehmung, Kog­nition und Handlung liegt der Ansatz wiederum darin, mithilfe von isolierten Wahrnehmungsexperimenten die Vorgehensweise des Gehirns nachvollziehen zu können. Fragen der Objekt- und Gesichtserkennung, der sozialen Interaktion und Raumkognition werden damit beantwortet. Außerdem arbeiten wir daran, wie die Erkennt­­nisse, die wir aus der menschlichen Wahrnehmung gezogen haben, in die Gestaltung und Verbesserung von intelligenten Robotern überführt werden können. Diese Fragestellungen untersuchen wir sowohl anhand von Psychophysik-Experimenten als auch mit Methoden aus der System- und Kontrolltheorie, der Computer-Vision, der Virtuellen Realität (VR) und mithilfe neuartiger Bewegungssimulatoren.

Für die Erfassung vieler Dinge ist eine multisensorische Wahrnehmung, wie sie einleitend beschrieben wird, nicht zwingend notwendig. Wir können und müssen Dinge sogar oftmals nur mit einem Sinn, beispielsweise rein visuell, wahrnehmen. Dabei wird vielfach unterschätzt, welche Meisterleistung unser Gehirn allein bei dieser Aufgabe vollbringen muss. Denn schon die Inter­pre­ta­tion eines einzelnen Sinnesreizes erfordert die Ver­rech­nung verschiedener Informationsquellen – wir sprechen hierbei von multimodaler Informations­verar­bei­tung. Bei unserem Sehsystem sind dies beispielsweise die Infor­mationen, die uns Schattierungen, Textur-Verläufe und unsere Möglichkeit des Stereosehens bieten. Dieser Prozess gelingt uns auch deshalb, weil das Gehirn zur eindeutigen Wahrnehmung immer Erfahrungen und Vor­­wissen über die Beschaffenheit der Welt einkalkuliert. Erst diese clevere Miteinbeziehung von angeborenem und erlerntem Vorwissen in den Wahrnehmungsprozess ermöglicht es, aus mehrdeutigen oder fehlenden Infor­mationen eine eindeutige Interpretation der Außenwelt zu schaffen. Intuitiv besitzen wir sogar ein Gespür für Wahrscheinlichkeiten, das uns hilft, unlogische Inter­pre­tationen der Welt zu verwerfen.

Schon bei der Untersuchung lediglich eines Sinnes be­­darf es eines ausgeklügelten Experiments, um die Inte­­gration verschiedener Signale herauszufinden. Nun gilt unser Interesse auch der Verrechnung verschie­dener Sinne unter realitätsnahen Bedingungen, beispielsweise des Gleichgewichtssinns und des visuellen Sinns. Da sich in der Realität Wahrnehmung und Hand­­lung ständig beeinflussen, ist es unser Ziel, Experimente zu gestalten, bei denen jede Reaktion Einfluss auf den Reiz hat. Um all dem gerecht zu werden, sind häufig sehr spezielle Versuchsaufbauten notwendig.



Die relativ junge Methode der Virtuellen Realität er­möglicht erstmals die Durchführung solcher Expe­ri­mente unter exakt kontrollierbaren Reizbedingungen in einem geschlossenen Kreislauf von Wahrnehmung und Handlung. Die Forschung in VR bietet die Möglichkeit, Interaktionszyklen präzise dokumentieren und gezielt manipulieren zu können. Dies lässt Rückschlüsse zu, welchen Einfluss Reizveränderungen sowohl auf die Wahrnehmung als auch auf das daraus resultierende Verhalten haben. Um dieses Potenzial der VR-Technologie optimal auszuschöpfen, entstand auf dem Tübinger Max-Planck-Campus das Cyberneum, ein Gebäude mit rund 1.200 Quadratmetern Nutzfläche, das – wie der Name schon vermuten lässt – Platz für Neues im Bereich Virtueller Realität bietet. Es muss sonderbar anmuten, dass Forschung in virtuellen Umgebungen ganz reale Quadrat-, ja sogar Kubikmeter benötigt. Doch dies ist tatsächlich der Fall, denn es gilt eine Menge modernster Technik unterzubringen. Das Cyberneum beherbergt unter anderem zwei Bewegungssimulatoren, Tracking-Systeme und riesige Laufbänder. Letztere bieten die Möglichkeit, dass virtuell projizierte Welten ganz real und vor allem uneingeschränkt begehbar werden. Die Aufgabe der vielen Kameras der Tracking-Systeme ist es, die Position des sich bewegenden Pro­­banden zu jedem Zeitpunkt zu bestimmen und diese in Relation zur virtuell gesehenen Welt zu setzen. Ein Bewegungs­simulator auf Basis eines Industrieroboters erlaubt bei­spielsweise zusammen mit einem Display, die gefühlte von der gesehenen Eigenbewegung zu ent­­koppeln. So können tatsächlich diese verschiedenen Sinne getrennt voneinander betrachtet werden und Hin­­weise liefern, wie die eingehenden Informationen in unserem Gehirn reprä­sentiert werden. Gleichzeitig ist unser Ziel, die menschliche Wahrnehmung und Hand­­lungsweise nachzubilden und diese Modelle zu testen, um beispielsweise bei Fahr- und Flugsimulationen eine wahrscheinliche Reaktion vorherzusagen. Erste Ergeb­­nisse zeigen schon jetzt, dass diese Methode zu Ver­bes­­serungen von Bewegungs­simulatoren in Form von authentisch dargestellten Flug­szenarien beiträgt, was zu einem realistischeren Training und folglich zu mehr Sicherheit für Piloten und Passagiere führt. Im Unter­­geschoss des Gebäudes lernen zudem noch einige Quadcopter – das sind Flugobjekte vergleich­bar mit Modell-Hubschraubern – eigenständig und kollisionsfrei zu fliegen. Die Zielsetzung ist hierbei, Menschen und Robotern die sichere Interaktion in gemeinsam ge­nutzten Umgebungen zu ermöglichen.
Unsere Arbeit basiert auf der Vision, dass in der Zukunft Mensch und Maschine in gemeinsamen Lebens­­räumen nahtlos zusammenwirken und interagierende Maschinen Teil unseres täglichen Lebens werden. Das menschliche Gehirn hält schon reichhaltige strategische Lösungsme­thoden für verschiedenste Problem­stel­lun­gen bereit und bietet uns Möglichkeiten, die wir wahrnehmen wollen – für einen Zugang zu einer Welt von morgen.

 

Der 1950 geborene Autor ist Direktor der Abteilung Wahrnehmung, Kognition und Handlung des Max-Planck-Instituts für biologische Kybernetik in Tübingen. Heinrich Bülthoff ist Spezialist für Objekt- und Gesichtserkennung, sensomotorische Integration, Raumkognition sowie für Verhalten in virtuellen Umgebungen.