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Humboldt-Universität zu Berlin

Evidenz für Efferenzkopiesignale kombinierter Augen-Kopf-Bewegungen

Julius Krumbiegel wurde für seine Masterarbeit am Institut für Psychologie mit dem Humboldt-Preis 2020 ausgezeichnet.

Jedes Mal, wenn wir die Augen oder den Kopf bewegen, wird unser Gehirn vor eine komplizierte Aufgabe gestellt. Es muss unterscheiden, ob Bewegungsreize, die auf der Netzhaut registriert werden, von Veränderungen in der Welt ausgehen, oder von der Bewegung des Körpers verursacht werden. Dieses Problem ist allgegenwärtig, denn wir sehen nur im Zentrum unseres visuellen Feldes scharf. Um diejenigen Objekte zu fixieren, die gerade relevant sind, führen wir daher etwa drei Augenbewegungen (Sakkaden) pro Sekunde aus und bewegen bei größeren Distanzen Kopf und Körper zusätzlich.

Der Mechanismus, mit dem das Gehirn den Einfluss dieser Eigenbewegungen aus sensorischen Signalen herausrechnet, beruht auf Efferenzkopien (efferent = vom Gehirn wegführend). Da das Gehirn die Steuerungskommandos für die Muskeln selbst generiert, kann es mithilfe einer Kopie des neuronalen Codes eine Vorhersage über die zu erwartenden Auswirkungen der Bewegung auf die Sinnesorgane treffen, und diese Anteile vom sensorischen Eingangssignal abziehen. In meiner Arbeit habe ich untersucht, ob das Gehirn Efferenzkopien für die Kompensation der Kopfbewegung bei Blickrichtungsänderungen benutzt.

Zu diesem Zweck entwickelte ich einen speziellen Experimentalaufbau aus über 250 LEDs. Die Kopfbewegungen der Teilnehmer wurden per Infrarotdioden auf einem Helm verfolgt und in Echtzeit mit Augenbewegungsmessungen verrechnet, um das Experiment blickgesteuert ablaufen lassen zu können. Aufgabe war es, im komplett abgedunkelten Labor einem springenden Lichtpunkt mit einer gleichzeitigen Augen- und Kopfbewegung zu folgen. Der Lichtpunkt verschob sich unmittelbar vor der neuen Fixation noch leicht, und die Richtung dieser Verschiebung sollte erkannt werden. Während jeder Augenbewegung ist das Sehvermögen, ohne dass es uns bewusst wird, stark eingeschränkt, daher ist die Verschiebung selbst nicht sichtbar. Um die Aufgabe zu lösen, muss sich das Gehirn stattdessen auf seine Informationen über die Kopf- und Augenbewegung verlassen. Meine Ergebnisse sind Evidenz dafür, dass das Gehirn durch Efferenzkopien den Effekt der Kopfbewegung vollständig aus dem visuellen Signal herausfiltert, sodass die Eigenbewegung nicht fälschlich der Bewegung des Lichtpunkts zugeschrieben wird.

Diese Studie schließt an Forschung an, die ähnliche Effekte bereits für einfache Augenbewegungen mit fixiertem Kopf gezeigt hatte. Die Ausweitung auf Kopfbewegungen war eine Herausforderung, da ich nicht auf die etablierten Eyetracking-Techniken zurückgreifen konnte, sondern eine ganz neue Messmethode entwickeln und validieren musste. Diese Methode kann in Zukunft von anderen Forschern verwendet werden, um unsere visuelle Wahrnehmung unter natürlicheren Bedingungen zu untersuchen, als es die herkömmlichen Techniken mit Kopffixation erlauben. Dies ist unabdingbar, wenn wir die Mechanismen der Wahrnehmung — und ihrer Störungen bei psychotischen Erkrankungen — in ihrer vollen Komplexität verstehen wollen.