Pupillometrie für Einsteiger: Alles, was Sie wissen müssen

Die Pupillometrie misst die Erweiterung und Verengung der Pupille, um Erkenntnisse über die kognitive Belastung, emotionale Reaktionen und neurologische Erkrankungen zu gewinnen. Dieser Leitfaden erläutert die wissenschaftlichen Grundlagen der Pupillometrie, ihre Anwendungen in den Neurowissenschaften, der Psychologie und der biometrischen Forschung und bietet bewährte Verfahren für die Datengenauigkeit, die Einrichtung der Geräte und die Interpretation der Ergebnisse in verschiedenen Versuchssituationen.

Pupillometrie erklärt: Wie Pupillenreaktionen Aufschluss über die Gehirnaktivität geben

Wenn unsere Augen das Fenster zur Seele sind, dann sind die Pupillen zumindest das Tor zum Gehirn. Wenn wir uns in der Welt umsehen, nehmen unsere Augen verschiedene Merkmale wahr, und sowohl unsere Hornhaut als auch das Gewebe, das die Augenlinsen umgibt, passen sich an, um das Licht zu bündeln und so eine Szene sichtbar zu machen. Die Lichtmenge lässt sich durch die Größe unserer Pupille steuern, aber das ist nicht das Einzige, worauf die Pupillengröße reagiert. Die Pupillenerweiterung wird nicht nur davon beeinflusst, wie wir die Welt sehen, sondern auch davon, wie wir sie erleben.

Die Pupillometrie ist definiert als die Messung der Pupillenerweiterung und liefert einzigartige Einblicke darin, wie eine Person ihre Umgebung wahrnimmt. Während ursprünglich angenommen wurde (und in der Populärwissenschaft oft behauptet wurde), dass sich die Pupille nur als Reaktion auf positive oder anziehende Reize erweitert, haben Psychologen herausgefunden, dass sowohl positiv als auch negativ bewertete Informationen eine solche Erweiterung hervorrufen können.

Mittlerweile steht fest, dass jegliche emotional aufgeladenen Reize (in Form von Bildern, Worten, Geräuschen usw.) eine Erweiterung der Pupillengröße hervorrufen, was ein Maß für die emotionale Reaktion darstellt, das der galvanischen Hautreaktion (GSR) nicht unähnlich ist (bei der zwar die Intensität einer Emotion ermittelt werden kann, nicht jedoch ihre Richtung).

Forschungsergebnisse deuten zudem darauf hin, dass Pupillometrie-Tests möglicherweise ein zuverlässigerer Maßstab für stressbedingte Reaktionen sind als die Hautleitfähigkeit (GSR), obwohl die Durchführung dieser Untersuchungen mit größeren Einschränkungen verbunden ist, auf die im Folgenden eingegangen wird.

Jenseits des Lichts: Was beeinflusst die Pupillenerweiterung?

Weitere Untersuchungen haben zudem gezeigt, dass die kognitive Belastung mit dem Ausmaß der Pupillenerweiterung zusammenhängt – wobei kognitiv anspruchsvollere Aufgaben mit einer zunehmend größeren Pupillengröße einhergehen. Ein Beispiel hierfür ist die Stroop-Aufgabe, bei der die Teilnehmer Wörter lesen, deren Farbe nicht mit der Bedeutung übereinstimmt (z. B. das Wort „blau“, das in roter Schrift gedruckt ist).

Diese Ergebnisse deuten zudem darauf hin, dass eine zunehmende Pupillenerweiterung mit einer verstärkten kognitiven Verarbeitung einhergeht – je intensiver das Gehirn daran arbeitet, Emotionen oder Informationen zu verarbeiten, desto größer werden die Pupillen.

Mithilfe der fMRT-Bildgebung wurde festgestellt, dass eine erhöhte Gehirnaktivität in verschiedenen Bereichen direkt mit einer Pupillenerweiterung zusammenhängt, was dieses Maß zu einem geeigneten Indikator für das tiefgreifende Verständnis kognitiver Prozesse macht.

Auf klinischer bzw. medizinischer Ebene haben Forscher bei Menschen mit Depressionen, Angststörungen, Autismus-Spektrum-Störungen und sogar Parkinson-Krankheit abnormale pupillometrische Reaktionen auf Reize festgestellt. All dies macht die Pupillometrie zu einem äußerst wichtigen Messinstrument, nicht nur um die normale Funktion des Menschen zu verstehen, sondern auch um zu erkennen, was im von einer Krankheit betroffenen Gehirn vor sich geht.

Die Messung der Pupillenerweiterung liefert jedoch erste Anhaltspunkte dafür, wie sich das Leben von Menschen mit neurologischen Erkrankungen verbessern lässt. Forscher haben festgestellt, dass sich der Erfolg einer psychologischen Behandlung anhand der Ergebnisse der Pupillometrie bis zu einem gewissen Grad vorhersagen lässt. Dies könnte eine schnelle und einfache Möglichkeit bieten, sicherzustellen, dass für den Betroffenen die bestmögliche Behandlung gefunden wird, was nicht nur die Genesungsraten, sondern auch die Effizienz des Gesundheitswesens verbessern könnte.

Darüber hinaus könnte der Bereich der Gehirn-Computer-Interaktion (BCI) durch die Nutzung der Pupillenerweiterung als zusätzliches Signal erheblich verbessert werden. BCI wird häufig von Menschen mit körperlichen Bewegungseinschränkungen genutzt, und Eye-Tracking kann eine barrierefreie Möglichkeit zur Interaktion mit dem Computer darstellen. Durch die Einbeziehung einer zuverlässigen Messgröße für die Pupillengröße könnte ein weiteres kognitives Signal hinzugefügt werden, wodurch der BCI-Prozess bereichert würde.

Die kombinierte Nutzung anderer Biosensoren und der Pupillometrie könnte die BCI noch weiter voranbringen, wie Graur und Siegle in ihrem Artikel (2013) anmerken: „Insbesondere wenn Personal Computer die Emotionen eines Nutzers anhand physiologischer Messwerte wie Herzfrequenz, galvanische Hautreaktion, EEG, Pupillendurchmesser usw. erfassen könnten, wäre es möglich, das Nutzererlebnis intelligent anzupassen.“

Anleitung zur Pupillometrie

Um mit der Pupillometrie neue Erkenntnisse zu gewinnen und zu entwickeln, benötigen Sie lediglich einen Eye-Tracker, einen Stimulus (oder mehrere Stimuli) Ihrer Wahl und iMotions. Da es sich um eine nicht-invasive Messmethode handelt, ist die Einrichtung ganz einfach. Spezielle Pupillometriegeräte sind nicht erforderlich, da Eye-Tracker diese Funktion in der Regel übernehmen können.

Bei jedem Test zur Pupillenerweiterung muss die Lichtmenge, die der Proband wahrnimmt, kontrolliert werden. Die Leuchtkraft der Reize muss standardisiert werden, um sicherzustellen, dass etwaige Pupillenreflexe auf eine emotionale oder kognitive Reaktion zurückzuführen sind und nicht auf eine rein physische Reaktion auf die Lichtintensität.

Drei Reize, die eine Pupillenerweiterung bewirken: Licht, emotionale Reize und Informationen, die die kognitive Belastung erhöhen.

Sobald dieser Faktor (zusammen mit der Beleuchtungsstärke im Raum) berücksichtigt wurde, kann das Experiment beginnen. Um jedoch das Beste aus den Pupillometriedaten herauszuholen, kann es sinnvoll sein, weitere Biosensoren einzusetzen, um die Ergebnisse zu ergänzen.

EEG-Signale lassen sich in Kennzahlen umrechnen, die den mentalen Zustand einer Person widerspiegeln und (neben anderen Kennzahlen) Aufschluss über das Ausmaß der kognitiven Belastung geben können. Die Kombination von EEG und Pupillometrie kann dann dabei helfen, zu entschlüsseln, ob die erhöhte Pupillenerweiterung auf kognitive Belastung oder andere Faktoren zurückzuführen ist.

Darüber hinaus lässt sich anhand der mit EEG ermittelten frontalen Asymmetrie feststellen, ob der Teilnehmer dazu neigt, sich einem Reiz zu nähern oder ihn zu meiden. Diese Messgröße wird in iMotions automatisch berechnet, wodurch die Schritte zum Verständnis der zugrunde liegenden Ursache einer erhöhten Pupillenerweiterung noch einfacher zu durchlaufen sind.

Durch die Kombination mit anderen physiologischen Sensoren lässt sich das Verständnis der Gedanken, Gefühle und des Verhaltens einer Person noch weiter vertiefen. Die Analyse des Gesichtsausdrucks liefert Informationen über die emotionale Valenz, während die anderen Messgrößen des Eye-Trackings eine Triangulation zwischen dem, was die Person betrachtet, ihren damit verbundenen Gefühlen und der Intensität dieser Gefühle ermöglichen.

Ein Screenshot von iMotions, der die Ergebnisse der Pupillometrie sowie des Eye-Trackings zeigt und eine Messung des Abstands des Befragten zum Bildschirm enthält.

So führen Sie eine Pupillometrie-Untersuchung durch: Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung

Während die Anwendungsbereiche und die allgemeine Anwendbarkeit der Pupillometrie klar definiert sind, gilt dies nicht für das Objekt, das gemessen wird, nämlich die Pupillen. Pupillen reagieren nicht auf genau jene Umgebungsbedingungen, nach denen Forscher bei pupillometrischen Studien suchen. Sie unterliegen Schwankungen, die von äußeren Reizen, Müdigkeit, Lichtverhältnissen und kognitiver Inaktivität – d. h. der Abwesenheit einer konkreten Aufgabe – abhängen.     

Um ein aussagekräftiges Experiment zu konzipieren, müssen all diese Faktoren berücksichtigt werden. Die Probanden sollten ausgeruht sein, die Untersuchung sollte in einem Raum stattfinden, in dem äußere Reize auf ein Minimum beschränkt sind, und vor allem sollten die Lichtverhältnisse konstant gehalten werden. 

Je nach Material kann es nahezu unmöglich sein, die Lichtverhältnisse auf Bildschirmen, auf denen Reize angezeigt werden, zu kontrollieren. Bei den meisten Videos oder Bilderserien kommt es zu Lichtschwankungen, was es sehr schwierig macht, verwertbare Messwerte zu erhalten, da die Pupillen unweigerlich auf Lichtveränderungen reagieren.  

Bei der Vorbereitung eines Pupillometrie-Experiments lassen sich Veränderungen der Bildschirmbeleuchtung ausgleichen, indem das Experiment so angelegt wird, dass Standard-Luminanzbilder verwendet werden. Dabei handelt es sich um Bilder, die hinsichtlich Farbe, Helligkeit, Sättigung usw. eine gleichbleibende Lichtintensität aufweisen. Die Steuerung der Lichtabgabe erfordert eine sorgfältige Planung, Vorbereitung und Durchführung des Experiments.  

Sollten Sie für die Pupillometrie eine Eye-Tracking-Brille verwenden?

Wir raten generell davon ab, Pupillometrie-Experimente mit Eye-Tracking-Brillen durchzuführen. Das liegt vor allem daran, dass das Licht jedes Mal, wenn sich der Kopf eines Teilnehmers bewegt oder dieser auf etwas anderes schaut, anders auf die Pupille fällt, wodurch sowohl die Messwerte als auch die Daten unzuverlässig werden. 

Diese inhärente Instabilität unterstreicht die Notwendigkeit streng kontrollierter Umgebungen bei der Pupillometrie. Für Studien, die eine präzise Datenerfassung anhand visueller Reize erfordern – insbesondere wenn diese auf einem Monitor präsentiert werden –, bietet das bildschirmbasierte Eye-Tracking die erforderliche Stabilität und Kontrolle.

Fazit: Warum die Pupillometrie die Verhaltensforschung revolutioniert

Als Maß für kognitive und emotionale Verarbeitungsprozesse eignet sich die Pupillometrie zum Verständnis der Intensität von Reizen – was für ein tieferes Verständnis in Bereichen wie Werbetests, User Experience, psychologische Tests und darüber hinaus von Bedeutung ist.

Zwar gibt es experimentelle Einschränkungen, die vor der Durchführung eines Pupillometrie-Experiments berücksichtigt werden müssen, doch lassen sich anhand von Daten zur Pupillenerweiterung auch zahlreiche Erkenntnisse gewinnen, und dieses Verfahren wird auch weiterhin ein nützliches Instrument im Werkzeugkasten der Verhaltensforscher sein. Halten Sie also die Augen offen.

Ich hoffe, es hat Ihnen gefallen, zu erfahren, wie die Pupillometrie zu einem besseren Verständnis der menschlichen Reaktionen auf Reize beitragen kann. Wenn Sie mehr über die Pupillenerweiterung und den Einsatz von Eye-Tracking in der Forschung erfahren möchten, laden Sie sich unten unseren kostenlosen Leitfaden zum Thema Eye-Tracking herunter.