Wie real ist das, was wir wahrnehmen? Optische Täuschungen

Do, 11.01.2018 - 05:59 — Susanne Donner

Optische Täuschungen lassen gerade Striche schief, gleiche Objekte unterschiedlich groß, verschieden gefärbt und von unterschiedlicher Helligkeit und starre Bilder scheinbar bewegt erscheinen. Die Chemikerin und Wissenschaftsjournalistin Susanne Donner gibt einen Einblick in diese faszinierenden Phänomene, die entstehen, weil unser Gehirn - auf Basis seiner Erfahrungen - laufend die in der Netzhaut empfangenen Informationen korrigiert. Die Erklärung optischer Täuschungen gibt somit wertvolle Hinweise, wie das menschliche Sehsystem funktioniert.*

Manchmal ist die Welt nicht, was sie zu sein scheint: Optische Täuschungen hinterlassen bei uns Eindrücke, die mit der Wirklichkeit oft nichts zu tun haben. Ihre Erforschung ist in vollem Gange – und lehrt uns viel über die Art, wie wir sehen.

Einige werden sich an Vollmondabenden schon verwundert die Augen gerieben haben: Wenn der Mond am Horizont aufgeht, wirkt er aufgebläht wie ein Heißluftballon. Dagegen sieht er oben am Firmament klein wie ein Fußball aus. Geht das noch mit rechten Dingen zu? Alles nur ein Trugbild, weiß die Wissenschaft. Für sie sind optische Illusionen wie die Mondtäuschung „ein Fenster in die Welt des Sehens“. So formulierte es der berühmte Wahrnehmungsforscher David Eagleman vom Bayor College of Medicine in Houston. Denn die visuellen Ausrutscher stellen die wissenschaftlichen Theorien über den Sehsinn auf den Prüfstand.

Die Natur trügt selten

Auch wenn der Mond eine Ausnahme bildet: “In Feld, Wald und Wiese funktioniert unser Sehen meistens verblüffend gut”, stellt der Sehforscher Michael Bach von der Universitätsaugenklinik Freiburg klar. Fast alle optischen Täuschungen beruhen auf künstlichen Abbildungen.

Zu den ältesten Täuschbildern überhaupt gehören geometrische Schwarz-Weiß-Gebilde wie das Hermann-Gitter, benannt nach dem Physiologen Ludimar Hermann (1838-1914), der sie im Jahr 1870 als einer der ersten erwähnte: Beim Betrachten eines weißen Gitters auf schwarzem Grund erscheint auf jeder weißen Kreuzung ein verwaschener Fleck, nur nicht in der Mitte des Sehfeldes (Abbildung 1). Da der Kontrast zwischen Schwarz und Weiß nicht richtig erfasst wird, sprechen Forscher von einer Kontrasttäuschung.

Abbildung 1. Das sogenannte Hermanngitter. Wenn man es betrachtet sieht man an den Kreuzungspunkten verschwommene schwarze Flecken. Die Ursache der Täuschung ist noch nicht genau bekannt, bislang gültige Theorien wurden vor kurzem wiederlegt. Grafik: Dana Zymalkovski.

Von der Katze zum Fleck

Nach Hermanns Erfindung verstrich fast ein Jahrhundert, bis Wissenschaftler eine erste überzeugende Theorie zur Erklärung des Phänomens vorlegen konnten. Der Neurophysiologe Günther Baumgartner (1924 bis 1991) setzte Katzen Mikroelektroden in den Sehnerv und zeichnete die elektrischen Ströme auf. Er erkannte: Die Informationen von mehreren Lichtsinneszellen auf der Netzhaut laufen in nur einer Ganglienzelle zusammen, die sie verrechnet und das Ergebnis über den Sehnerv weitergibt. Die Fülle der Signale der Fotorezeptoren ist somit schon im Sehnerv verdichtet. Der kreisrunde Einzugsbereich einer Ganglienzelle auf der Netzhaut ging als “rezeptives Feld” in die Lehrbücher ein.

In der Netzhaut gibt es nun zwei Typen von Ganglienzellen:

ON-Zentrum-Ganglienzellen reagieren besonders stark, wenn der innere Bereich im rezeptiven Feld stimuliert wird, der äußere jedoch nicht.
Bei OFF-Zentrum-Ganglienzellen ist es umgekehrt. Dass Signale von den Rändern des rezeptiven Feldes die Information in der Mitte beeinflussen können, wird als laterale Hemmung bezeichnet.

Mit diesem Wissen, so schien es, konnte Baumgartner die Hermann-Gitter-Täuschung erklären: Erfasse eine ON-Zentrum-Ganglienzelle eine weiße Kreuzung, werde sie stärker gereizt als an anderen Stellen des Gitters. Dies führe zu einer unterschiedlichen Verrechnung der Seheindrücke und so zu den verwaschenen Flecken. Sogar für das Fehlen derselben in der Blickmitte hatte er eine Erklärung: In der Mitte der Netzhaut werden weniger Fotorezeptoren-Impulse in einer Ganglienzelle gebündelt. Das rezeptive Feld im Zentrum unseres Blicks sei darum so klein, dass es die schwarzen Quadrate nicht berühre.

Rätselhaftes Gitter

Vier Jahrzehnte wurde Baumgartners Erklärung in die Lehrbücher gedruckt. Doch 2004 bereitete der Ungar János Geier dem ein jähes Ende – und verblüffte so die Forscherwelt. Er wandelte das Hermann-Gitter leicht ab, indem er die weißen Linien sinusförmig verzerrte (Abbildung 2).

Abbildung 2. Variation des Hermanngitters. Die Illusion tritt hier nicht auf, was die bis dahin akzeptierten Erklärungssätze in Frage stellte. copyright: Michael Bach.

Prompt verschwanden die Flecken; und das, obwohl die rezeptiven Felder noch immer dieselbe Schwarzinformation erhalten und somit Baumgartner zufolge eine Täuschung hervorrufen müssten. „Ich fand schon immer, dass das Baumgartner-Modell zu kurz greift“, quittiert Sehforscher Bach. „Ich habe meinen schwarzen Schlüsselbund hier vor mir liegen und müsste doch Flecken an der Kante sehen, wenn es richtig wäre. Ich sehe ihn aber gestochen scharf. Das Gehirn ist also in der Lage, die laterale Hemmung herauszurechnen, bloß beim Hermann-Gitter nicht.“ Nur, warum? Die Frage ist bis heute ungeklärt.

Bach hält die verwaschenen Flecken im Hermann-Gitte für einen Nebeneffekt der Helligkeitskonstanz. Helligkeitskonstanz ist die Fähigkeit, die hellsten Bereiche im Sehfeld auszumachen. “Dafür muss unser Sehsystem nicht absolut messen, wie hell das Gesehene ist, sondern die verschiedenen Helligkeiten abgleichen”, erklärt Bach. Dass diese Gabe als Nebenwirkung die Hermann-Gitter-Illusion produzieren könne, haben die Forscher David Corney, heute an der City University of London, und Beau Lotto, heute Direktor des „Lab of Misfits“ am University College in London 2007 auf eindrucksvolle Weise vorgeführt: Sie brachten einem künstlichen neuronalen Netz Helligkeitskonstanz bei. Das selbstlernende Computerprogramm erkannte in einer Darstellung mit buntem Laub zuverlässig die hellsten Stellen. Dasselbe Programm generierte aus einem Hermann-Gitter jedoch auch exakt das Täuschungsbild mit verwaschenen grauen Punkten an den Kreuzungen.

Gleich groß oder nicht?

Die immer neuen Versuche, die Hermann-Gitter-Täuschung zu erklären, sind kein Einzelfall. Ähnlich lebhaft ist die Kontroverse bei anderen Täuschungsphänomenen, etwa bei der Ebbinghaus-Täuschung (Abbildung 3). Sie zeigt zwei gleich große Kreise, wovon einer von kleineren Kreisen umringt ist, der andere von größeren. Letzterer erscheint dadurch deutlich kleiner als sein Zwilling.

Abbildung 3. Die Kreis- oder Ebbinghaus-Illusion suggeriert unterschiedliche Größen. Grafik: dasGehirn.info.

In den achtziger Jahren postulierten die amerikanischen Neurophysiologen Margret Livingstone und David Hubel, dass die Ebbinghaus-Täuschung wie auch andere Gestalttäuschungen vom starken Helligkeitsunterschied zwischen Schwarz (Kreis) und Weiß (Umgebung und Füllung) herrührt. Diese These knöpfte sich der Neuropsychologe Kai Hamburger von der Universität Giessen 2007 vor und präsentierte zwanzig Studenten farbige Illusionen. Die führten diese jedoch genauso in die Irre wie die Schwarz-Weiß-Zeichnungen. “Die Annahme von Livingstone und Hubel ist nicht haltbar”, so Hamburgers Fazit.

Ich sehe was, was du nicht siehst

Hinweise für einen neuen Erklärungsansatz kommen nun aus unerwarteter Richtung – aus der Kulturpsychologie: So fanden Forscher 2007 heraus, dass die indigene Bevölkerung der Himba, die im Norden Namibias und im Süden Angolas zu Hause ist, die Ebbinghaus-Täuschung wesentlich schwächer erlebt als Europäer. Die Himba haben in ihrer Sprache kein Wort für Kreis. Runde Objekte spielen in ihrem Alltag kaum eine Rolle. Visuelle Erfahrungen scheinen also optische Täuschungen zu beeinflussen. Was wir im Leben schon sahen, bestimmt, was wir sehen.

Dabei kommt es offensichtlich auch auf die Dauer unserer Erfahrungen an: Kinder unter sieben Jahren nämlich erkennen die Größe der Ebbinghausschen Kreise fast richtig. Sie lassen sich weniger täuschen als Erwachsene. “Der Irrtum in der Wahrnehmung ist eine Folge der späten Gehirnentwicklung”, kommentiert der Psychologe Martin Doherty, heute an der University of East Anglia. 2010 entdeckte er erstmals das Sehtalent der Kinder. Mit zunehmender Reifung des Gehirns beziehen Europäer offenbar immer stärker den Bildkontext, also die umliegenden Kreise, ein und verschmelzen das zu einem “synthetischen Bild”. Erwachsene sehen deshalb die Kreise unweigerlich immer im Verhältnis zueinander. Kinder betrachten sie nahezu isoliert.

Das Bild kommt aus dem Kopf

Wie stark der Bildkontext die Wahrnehmung beeinflusst, machen neuere Publikationen zur Ebbinghaus-Täuschung eindrucksvoll deutlich. Der Verhaltensneurobiologe Farshad Nemati zeigte 2009 an der kanadischen University of Lethbridge, dass die Täuschung umso drastischer ausfällt, je größer der Weißraum um die Ebbinghausschen Kreise ist. Wenn die Kreise mit Bildern gefüllt sind, verändert das abermals das Trugbild, fand der niederländische Psychologe Niek van Ulzen heraus, der gegenwärtig an der Universität Verona forscht. Wenn der innere Kreis ein negatives Motiv, etwa eine Waffe, eine Toilette oder eine Spinne, enthält und die äußeren Kreise etwas Erfreuliches, etwa einen Hasen oder eine Sonnenblume, zeigen, dann fällt die Täuschung schwächer aus. Ulzen erklärt: “Negative Reize verlangen besonders viel Aufmerksamkeit. Die Informationen ringsum werden stärker ausgeblendet. Im Nebeneffekt wird die Größe des Kreises dadurch korrekter eingeschätzt.”

Der irreführende Kontext täuscht uns auch über die tatsächliche Größe des Mondes hinweg: Nahe am Horizont erscheint er groß wie ein Heißluftballon, weil das Gehirn das Gestirn unwillkürlich mit Bäumen und Bergen in Relation setzt. Im Zenit ist der Mond klein und einsam, in ein Meer aus Sternen eingebettet.

Fazit

Optische Täuschungen eigenen sich perfekt, um die Theorien über das Sehen zu prüfen. Stimmt die Theorie, muss sie das Zerrbild exakt erklären können.
Viele der bisherigen Vorstellungen über das menschliche Sehsystem hielten den weit über einhundert verschiedenen Täuschbildern nicht Stand.
Besonders schwierig erwies sich die Erklärung des Hermann-Gitters. Eine lange geltende Theorie wurde 2004 widerlegt, seitdem gibt es mehrere Erklärungsansätze, die noch nicht final erhärtet wurden.
Die Ebbinghaus-Illusion zeigt: Im Gehirn werden verschiedene Bildobjekte miteinander in Beziehung gesetzt. Aus einem Größenvergleich wird auf die tatsächliche Größe geschlossen.
Eine wesentliche Rolle spielt das Sehgedächtnis: Was man im bisherigen Leben zu Gesicht bekommen hat, beeinflusst die Wahrnehmung der Wirklichkeit maßgeblich.

Zum Weiterlesen:

Michael Bach: Visual Phenomena & Optical Illusions - 132 of them; http://www.michaelbach.de/ot/ Sammlung optischer Täuschungen und visueller Phänomene, die kleine Experimente erlaubt und Erklärungen gibt, soweit von der aktuellen Sehforschung verstanden
Best Illusion of the Year Contest; http://illusionoftheyear.com/ [Stand: 2018]

*Der Artikel ist der Webseite www.dasgehirn.info entnommen: Er ist dort unter dem Titel "Wenn der Eindruck täuscht" in einer aktualisierten Form am 12.12.2017 erschienen und steht unter einer cc-by-nc-Lizenz. https://www.dasgehirn.info/wahrnehmen/truegerische-wahrnehmung/wenn-der-eindruck-taeuscht. (Literaturangaben, die nur als Abstract frei eingesehen werden können, wurden im ScienceBlog nicht übernommen.) www.dasGehirn.info ist ein Projekt der Gemeinnützigen Hertie-Stiftung und der neurowissenschaftlichen Gesellschaft e.V. in Zusammenarbeit mit dem ZKM/Zentrum für Kunst und Medien, Karlsruhe.

Weiterführende Links

Einführung Sehen. Video 1:32 min. cc-by-nc-Lizenz. https://www.dasgehirn.info/wahrnehmen/sehen/video-einfuehrung-sehen Der Sehsinn ist für die meisten Menschen das wichtigste Sinnessystem und liefert das Gros der Informationen über die Welt. Doch Sehen ist ein hochkomplexes Geschehen mit vielen Facetten, die unterschiedliche Anforderung an Auge und Gehirn stellen.
Formen Sehen. Video 1:19 min. cc-by-nc-Lizenz. https://www.dasgehirn.info/wahrnehmen/sehen/video-formen-sehen. Im primären visuellen Cortex sind 200 Millionen Nervenzellen damit beschäftigt, Ordnung in das Chaos der eingehenden Signale zu bringen. Eine wichtige Rolle dabei spielen Ecken und Kanten. Und Zellen, die auf ganz bestimmte Winkel reagieren.
Prof. Michael Bach: Sehphänomene im Netz| SWR1 Leute (am 25.12.2015 veröffentlicht). Video 25:08 min, Standard-YouTube-Lizenz. https://www.youtube.com/watch?v=w9ssHJn7Q7Y Bach ist Physiker, Hirnforscher und ein international anerkannter Seh- und Augenforscher. Seit zehn Jahren betreibt er eine stark frequentierte Internetseite, auf der er optische Täuschungen sammelt, aufbereitet und erklärt.
M.Bach & CM Poloschek (2006). Optical Illusions. ACNR 6 (2), 20-21. http://www.acnr.co.uk/pdfs/volume6issue2/v6i2visual.pdf