Entdecken Sie, wie das Gehirn einfache Linien in aussagekräftige Szenen verwandelt. Mithilfe von Gestaltprinzipien wie der „guten Fortsetzung“ gruppieren wir Formen zu zusammenhängenden Ganzheiten. Die frühe visuelle Verarbeitung (V1) erkennt die Ausrichtung von Linien, während Werkzeuge wie Gabor-Patches aufzeigen, wie wir Konturen wahrnehmen – selbst in einem Rauschbild – und so unsere Interpretation der Welt prägen.

Stellen Sie sich ein malerisches Foto von einem Haus auf einem Hügel vor. Haben Sie ein solches Bild vor Augen?

Stellen Sie sich nun vor, Sie verändern den Kontrast oder sogar die Farbe; Sie können immer noch erkennen und verstehen, was auf diesem Foto zu sehen ist. Das Haus auf dem Hügel sieht immer noch wie ein Haus auf einem Hügel aus. Wenn Sie jedoch dasselbe Bild nehmen und die Objekte sowie ihre gegenseitige Ausrichtung verändern, verändert dies grundlegend das, was Sie sehen. Wir neigen dazu, visuelle Szenen in Bezug auf Farben und Beleuchtung zu betrachten; jedoch sind es die Objekte und ihre Konturen im Verhältnis zueinander, die von größerer Bedeutung sind.

Glücklicherweise schafft das menschliche Sehsystem ein zusammenhängendes Bild der Welt, indem es Formen und deren Beziehungen zu anderen Objekten (d. h. die gegenseitige Positionierung der Objekte) herausarbeitet. Im Jahr 1935 stellte Kurt Koffka fest, dass unser Sehsystem einzelne Elemente, die in einer geradlinigen Anordnung oder Organisation zueinander stehen, als zusammengehörig wahrnimmt [1].

Gestaltpsychologie

Was Koffka beschrieb, ist das, was als „gute Fortsetzung“ bekannt ist – dabei nimmt unser visuelles System diese einzelnen Elemente als Gruppe wahr, wenn sie gemeinsame Merkmale aufweisen. Diese Leitlinien oder „Gesetze“ der visuellen Wahrnehmung bilden die Grundlagen eines Forschungsgebiets, das als Gestaltpsychologie bezeichnet wird.

Gestaltforscher interessieren sich dafür, wie die einzelnen Teile eines Bildes das Ganze ergeben. Diese Wissenschaftler untersuchen nicht nur Teile einer Szene, sondern auch Linien, Kanten und Symmetrie. Ob Sie es glauben oder nicht: Seit den 1890er Jahren haben Forscher große Anstrengungen unternommen, die menschliche Wahrnehmung im Hinblick auf die Gestalt zu verstehen. Es gibt ganze Studien und Literaturwerke, die sich dem Verständnis der Gestaltprinzipien sowie der Frage widmen, wie wir Konturen interpretieren und erkennen. Die Gestaltprinzipien lassen sich in den Abbildungen in Abbildung 1 erkennen.

Abbildung 1 (a). Beispiele für Prinzipien der Gestaltpsychologie.

Abbildung 1 (b). Beispiele für Prinzipien der Gestaltpsychologie.

Schon beim flüchtigen Betrachten der Abbildungen in Abbildung 1 füllt unser Gehirn automatisch die fehlenden Teile im Beispiel für die Geschlossenheit (a) aus, und wir können die Figur vom Hintergrund (b) unterscheiden. Das menschliche Sehsystem gruppiert Bilder schnell, ohne dass wir darüber nachdenken müssen.

Gehirnforschung / V1

Wie verarbeitet das Gehirn diese Informationen, sodass sie den Gestaltprinzipien entsprechen?

Betrachten wir zunächst den Vorgang des Sehens: Das Licht dringt in die Augen ein – zunächst durch die Hornhaut, dann durch die Linse bis zur Netzhaut, wo es von Rezeptoren im Augenhintergrund in elektrische Impulse umgewandelt wird. Der Sehnerv leitet diese elektrischen Signale anschließend an den visuellen Kortex weiter.

Der visuelle Kortex (auch als Okzipitallappen bekannt) befindet sich im Hinterkopf und umfasst mehrere Bereiche, die an der visuellen Verarbeitung beteiligt sind. Der erste an der visuellen Verarbeitung beteiligte Bereich wird als V1 bezeichnet und enthält spezialisierte Neuronen, die nur auf ganz bestimmte Ausrichtungen von Linien reagieren.

Hubel und Wiesel [2, 3] (spätere Nobelpreisträger) waren die ersten, die dies anhand ihrer Experimente mit Einzelzellableitungen (an Katzen) nachwiesen. Sie stellten fest, dass einzelne Neuronen nur dann ein Signal aussendeten, wenn den Augen eine ganz bestimmte Ausrichtung einer Linie präsentiert wurde – lag die Linie in einer geringfügig anderen Ausrichtung vor, reagierte das Neuron nicht. Sobald diese orientierungssensitiven oder „abgestimmten“ Neuronen miteinander kommunizieren, tragen sie dazu bei, unsere visuelle Wahrnehmung einer zusammenhängenden Welt aufzubauen. Die Signale für verschiedene Linien fügen sich zu einem vollständigen Bild zusammen – das ist es, was wir sehen können.

Gabor-Filter

Die Erforschung von Konturen – also genau jener Linien, die unser Sehsystem wahrnimmt – umfasst den Einsatz verschiedener Forschungsmethoden.

Abbildung 2. Ein Beispiel für ein einzelnes Gabor-Patch. Erstellt mit https://www.cogsci.nl/gabor-generator

Gabor-Patch-Konturen, wie sie im obigen Bild zu sehen sind, werden in der Sehforschung häufig als Reize verwendet, da man annimmt, dass sie eine grobe Annäherung an das darstellen, worauf orientierungsempfindliche Zellen in V1 reagieren (siehe Abbildung 2). Gabor-Patch-Bilder bestehen aus Sinuskurven, wie in Abbildung 3 dargestellt, wobei die Linien jedoch normiert sind.

Abbildung 3. Darstellung einer Sinuskurve.

Gabor-Muster sehen aus wie schwarz-weiße Flecken, sind aber in der Forschung sehr nützlich, da sie in jede beliebige Richtung ausgerichtet, vergrößert oder verkleinert und sogar in ihrem Kontrast variiert werden können, um zu testen, wie das visuelle System darauf reagiert.

Gabor-Patches sind quantifizierbar und können je nach experimentellen Anforderungen angepasst werden, beispielsweise als einzelner Reiz oder als in visuellem Rauschen verborgene Kontur, wodurch sie schwerer zu erkennen sind (siehe Abbildung 3).

Hier kommen psychophysikalische Studien ins Spiel, und hier können wir beginnen zu verstehen, wo die Grenzen der menschlichen visuellen Wahrnehmung liegen. Forscher haben mithilfe verschiedener Aufgaben nicht nur Fragen zur visuellen Verarbeitung von Linien gestellt, sondern auch dazu, wie gut wir Konturen in einem Rauschfeld wahrnehmen können.

Eine einfache Methode, um zu ermitteln, ob Menschen eine Kontur in einem „Rauschbild“ erkennen können (siehe Abbildung 4), besteht darin, sie die Kontur mit dem Finger nachzeichnen zu lassen (z. B. [4]) oder sie zu bitten, zwischen geschlossenen und offenen Konturen zu unterscheiden [5]. Um zu verstehen, wie sich diese visuelle Fähigkeit im Säuglingsalter entwickelt, wurden Forced-Choice-Paradigmen durchgeführt, bei denen die Teilnehmenden entscheiden müssen, wo sich die Konturen befinden [6, 7].

Abbildung 4. Kontur eines Gabor-Patches im Rauschen. Aus: Baker et al. (2008).

„Na und?“, fragen Sie sich vielleicht, denn wir alle können Konturen, Linien und Kanten problemlos erkennen, wenn wir die Augen öffnen. Die praktische Bedeutung der Konturerkennung wird erst dann deutlich, wenn wir verstehen, was passiert, wenn sich diese Fähigkeit nicht entwickelt – wie Tierversuche gezeigt haben [8]. Das Verständnis der Funktionsweise des Sehsystems ermöglicht es Wissenschaftlern, Lösungen für die Probleme zu entwickeln, die auftreten, wenn dies nicht der Fall ist.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unser Sehsystem bestens dafür ausgerüstet ist, Konturen und deren Ausrichtung wahrzunehmen. Anhand der Gestaltprinzipien haben Wissenschaftler festgestellt, dass das menschliche Sehsystem Objekte automatisch gruppiert, um ein zusammenhängendes Bild der Welt zu erzeugen. Indem wir die Grundlagen einer visuellen Szene mithilfe von Konturen, Gabor-Patches und anderen Methoden zerlegen, können wir die Neurowissenschaft des Sehens erforschen – und verstehen, was dazu führt, dass wir ein malerisches Haus auf einem Hügel wahrnehmen können.

Ich hoffe, es hat Ihnen Spaß gemacht, etwas über die Prozesse der visuellen Wahrnehmung zu lesen – wenn Sie mehr über die zentrale Methode zur Untersuchung der visuellen Verarbeitung erfahren möchten, laden Sie sich unten unseren kostenlosen Leitfaden zum Eye-Tracking herunter.

Literaturverzeichnis

[1] Koffka, K. (1935). Grundlagen der Gestaltpsychologie. London: Routland & Kegan Paul.

[2] Hubel, D. H., & Wiesel, T. N. (1959). Rezeptive Felder einzelner Neuronen im streifenförmigen Kortex der Katze. Journal of Physiology, 148, 574–591.

[3] Hubel, D. H., & Wiesel, T. N. (1962). Rezeptive Felder, binokulare Interaktion und funktionelle Architektur im visuellen Kortex der Katze. The Journal of Neuroscience, 160, 106–154.

[4] Jolicoeur, P., Ullman, S. & Mackay, M. (1991). Eigenschaften des visuellen Kurvennachzeichnens. Journal of Experimental Psychology: Human Perception and Performance, 17(4), 997.

[5] Kovacs, I., & Julesz, B. (1993). Eine geschlossene Kurve ist weit mehr als nur eine unvollständige: Der Einfluss der Geschlossenheit bei der Figur-Grund-Segmentierung. Proceedings of the National Academy of Sciences, 90(16), 7495–7497.

[6] Gerhardstein, P., Kovacs, I., Ditre, J. & Feher, A. (2004). Erkennung von Konturkontinuität und Konturverschluss bei dreimonatigen Säuglingen. Vision Research, 44, 2981–2988.

[7] Baker, T. J., Tse, J., Gerhardstein, P. & Adler, S. A. (2008). Konturintegration bei 6 Monate alten Säuglingen: Unterscheidung unterschiedlicher Konturformen. Vision Research, 48(1), 136–148.

[8] Blakemore, C., & Cooper, G. F. (1970). Die Entwicklung des Gehirns hängt von der visuellen Umgebung ab. Nature, 228(5270), 477.