Elektrophysiologie und virtuelle Realität als Mittel zur Untersuchung ...

..... PSYCHOLOGIE
Elektrophysiologie und virtuelle Realität
als Mittel zur Untersuchung von Wahrnehmungsprozessen
Von Heiko Hecht und Stefan Berti
Eine Verbindung von
Computersimulation mit neurowissenschaftlichen
Methoden macht es möglich,
dem Gehirn bei der
Verarbeitung von visuellen
Informationen zuzuschauen.
Abb. 1: Ein head-mounted display
erlaubt es, eine maßgeschneiderte
Scheinwelt zu präsentieren.
Visuelle Wahrnehmung spielt in unserem Alltag eine
entscheidende Rolle, sei es beim Lesen oder im Straßenverkehr.
Um die funktionalen und neurophysiologischen
Prozesse, die unseren Wahrnehmungsleistungen
zugrunde liegen, näher zu erforschen, halten
wir einen integrativen Ansatz für notwendig, der Verhaltensdaten
mit neurowissenschaftlichen Methoden
und Computersimulationen ergänzt. Diese Überzeugung
leitet unseren integrativen Forschungsansatz
der experimentellen Wahrnehmungsforschung,
für den wir hier in Mainz in den letzten beiden Jahren
die apparativen und experimentellen Voraussetzungen
schaffen konnten.
Virtuelle Realität (VR)
Einer unserer Forschungsschwerpunkte besteht darin
zu untersuchen, welche Bestandteile der komplexen
visuellen Information, die unser Auge erreicht, tatsächlich
herangezogen werden, wenn wir so genannte
Kontaktzeitschätzungen vornehmen. Will ein
Autofahrer etwa entscheiden, ob er noch genug Zeit
hat, um auf die Überholspur zu wechseln, so kann er
dazu die Größe des Abbildes des herannahenden
Hintermannes auf der Überholspur im Außenspiegel
heranziehen. Mit der Entscheidungsregel, ab einer
bestimmten Abbildgröße im Spiegel nicht mehr zum
Ausscheren anzusetzen, kommt der Fahrer vielleicht
gut zurecht. Vielleicht nimmt er aber auch Geschwindigkeits-
und Abstandsschätzungen vor, wie dies ein
computergesteuertes Programm, ein Überholwarnsystem,
tun würde. Es sind viele weitere Strategien
und Tricks denkbar, die wir benutzen könnten, um zu
einer Entscheidung zu kommen. Ein großes Problem,
das die Fragestellung gleichzeitig zu einer faszinierenden
Herausforderung für den experimentellen
Psychologen macht, liegt darin, dass die Prozesse der
Informationsverarbeitung und die Anwendung von
Entscheidungsregeln ganz oder fast ganz unbewusst
vonstatten geht. Oder könnten Sie sagen, nach welchen
Kriterien Sie überholen? Das hat man eben im
Gefühl. Wir versuchen herauszufinden, wie das visuelle
System des Menschen die Kontaktzeitschätzung
vornimmt und welche Fehler dabei gemacht werden.
Dieses Wissen kann dann den Konstrukteuren von
Autospiegeln oder Fahrlehrern zur Verfügung gestellt
werden, um die Sicherheit im Straßenverkehr zu verbessern.
Da eine Befragung von Verkehrsteilnehmern vollkommen
unergiebig ist – die beteiligten Wahrnehmungsprozesse
sind der Introspektion nicht zugängig
– muss man mit viel Mühe und experimentell
sauberen Methoden der Fragestellung nachgehen.
Dies tun wir, indem wir etwa herannahende Autos
derart manipulieren, dass sich ihre Größe ändert,
während ihre Kontaktzeit gleich bleibt. Es stellt sich
heraus, dass uns große Autos mehr Respekt einflößen
und wir ihre Kontaktzeit in der Regel unterschätzen.
Sie werden sich jetzt fragen, wie es uns gelingt,
die Größe eines Autos zu verdoppeln und Probanden
dazu zu bringen, sich in den Weg eines solchen
Ungetüms zu stellen und uns gleichzeitig saubere
Kontaktzeitschätzungen zu liefern, bevor sie sich
dann mit einem Sprung (als Fußgänger) oder durch
ein Ausweichmanöver (als Autofahrer) in Sicherheit
bringen. Wir erzeugen virtuelle Autos auf einem PC
und präsentieren diese dann entweder auf einem
head-mounted display der Firma Nvison (Auflösung
1280 x 1024, Abb. 1) oder einer großen Projektionswand
(Power wall und zwei Projektoren mit Polarisationsfiltern,
Abb. 2). D. h. wir können eine Probandin
in eine nahezu perfekt simulierte Welt versetzen, in
der vom Rechner vorgegebene Autos oder andere
Objekte direkt auf sie zukommen. Die Probandin teilt
uns dann mit einem Knopfdruck oder einer Lenkbewegung
an einem Lenkrad mit, wann sie das Ausweichmanöver
starten würde, um gerade noch einer
Kollision zu entgehen. Oft verwenden wir auch Reize,
in denen das herannahende Objekt ausgeblendet
wird und der Proband den Kollisionszeitpunkt vorhersagen
muss oder später angibt, ob ein Referenz-
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PSYCHOLOGIE......
ton vor oder hinter dem Kollisionszeitpunkt erklang.
Mit dieser Technik haben wir beispielsweise herausgefunden,
dass Menschen keinesfalls die Information
auswerten, die physikalisch nahe liegt. Die Kontaktzeitschätzungen
basieren gerade nicht auf Distanz
und Geschwindigkeit, sondern sie basieren auf der
Expansionsrate des Bildes, welches das Objekt auf
der Netzhaut unseres Auges hinterlässt. Dies ist aber
nur in idealen Umgebungen der Fall. Wenn der Reiz
nicht hinreichend detailliert ist, werden oft einfache
Bildparameter herangezogen, als würde unser visuelles
System Faustregeln benutzen. Zum Beispiel die
Faustregel: immer, wenn sich die Objektgrenze
schnell an den Rand des Sehfeldes bewegt, steht
eine Kollision unmittelbar bevor (zum internationalen
Stand dieser Forschung siehe Hecht & Savelsbergh,
2004).
Die Technik der virtuellen Realität bietet vielfältige
Möglichkeiten, menschliches Verhalten in Umgebungen
zu testen, die außerhalb des Labors nicht herstellbar
bzw. nicht experimentell manipulierbar sind.
Die Technik besteht, kurz gesagt, darin, dass über ein
Kamerasystem, das mit unsichtbarem infrarotem
Licht arbeitet, die genaue Position des Betrachters
erfasst wird. Diese Information wird dann an einen
Rechner gesendet, der einen dreidimensionalen Film
erzeugt. Im Rechner ist eine dreidimensionale Kunstwelt
abgespeichert, etwa bestehend aus einer Strasse
und einem Auto. Bei entsprechend guter Rechenleistung
wird nun aus der 3-D-Datenbank in einer
sechzigstel Sekunde das Bild berechnet, das der
Beobachter an seinem Beobachtungspunkt sähe,
wenn ein entsprechendes Auto auf ihn zukäme. Der
Wirklichkeitseindruck ist stark, hat aber natürlich
auch seine Grenzen. Zusammen mit Prof. Schömer
(Institut für Informatik, Johannes Gutenberg-Universität
Mainz), der maßgeblich an unserem Labor
beteiligt ist, haben wir uns zum Ziel gesetzt, diese
Grenzen zu erforschen und die VR-Welt zu optimieren.
Insbesondere arbeiten wir an einer Verbesserung
des dreidimensionalen Sehens, also der stereoskopischen
Bilder, die in der VR dargeboten werden.
Elektrophysiologie des Gehirns
Zudem können wir über die Messung des Elektroenzephalogramms
(EEG) bei Versuchspersonen, während
sie eine experimentelle Aufgabe bearbeiten,
detaillierte Aussagen über Prozesse der visuellen
Informationsverarbeitung sowie deren neuronale
Grundlagen machen. Dabei werden kurze EEG-
Abschnitte gemittelt, die mit einem definierten Ereignis,
etwa der Präsentation eines bestimmten Bildes,
Abb. 2: Die Power wall vermittelt visuelle
Erlebnisse in Lebensgröße. Der
Standpunkt des Beobachters wird
auch hier erfasst und in das VR-System
eingespeist.
-3 µV
-2
-1
N1
F7
N1
Fp1 Fp2
F3 Fz F4
F8
Abb. 3: Ereigniskorrelierte
Hirnpotenziale
zeigen mit
hoher zeitlicher Auflösung
Unterschiede in
der Verarbeitung
veränderter Reize an
(links als Differenzkurven
und rechts als
Potenzialverteilung über
dem Schädel).
ms
-100 100 200 300 400
T7
LM
C3 Cz C4
T8
RM
1
P7
P3 Pz P4
P8
2
Elektrode:
P8
Oz
O2
O1 Oz O2
230-260 ms
-2.0 µV
+2.0
FORSCHUNGSMAGAZIN ■ 1/2005
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verbunden sind. Die so genannten ereigniskorrelierten
Potenziale oder EKPs zeichnen sich durch eine
charakteristische Wellenform aus, die sich in unterschiedliche
Komponenten einteilen lassen (Abb. 3,
links). Jede dieser Komponenten wird dabei bestimmten
Verarbeitungsschritten im neurokognitiven
System zugeordnet, etwa der sensorischen Verarbeitung
eines Reizes, der kognitiven Bewertung oder
der Initiierung einer motorischen Reaktion auf den
Reiz. Damit lassen sich Aussagen machen über
bestimmte Prozesse, die an der Informationsverarbeitung
beteiligt sind, und ihre zeitliche Abfolge. Mit
geeigneten Modellierungsverfahren lassen sich
sogar die beteiligten neuronalen Strukturen identifizieren,
wenn auch mit geringerer räumlicher Auflösung
als in der funktionalen Kernspintomographie
(fMRI). Ein großer Vorteil ist jedoch die hohe zeitliche
Auflösung des EEGs, die im Millisekundenbereich
liegt und hierin dem fMRI überlegen ist. Außerdem
ist der apparative Aufwand des EEGs vergleichsweise
gering und macht eine Nutzung im VR-Labor möglich.
Neuere Ansätze wie die parallele fMRI- und
EEG-Aufzeichnung versprechen eine Kombination
der hohen zeitlichen Auflösung des EEGs mit der
hohen räumlichen Auflösung des fMRI.
Mit Hilfe von verschiedenen EKP-Studien konnten
wir zeigen, dass ein hoher Anteil der visuellen Informationsverarbeitung
automatisch und auf der Ebene
sensorischer Verarbeitungsschritte erfolgt. Bereits im
sensorischen System wird eine Repräsentation über
Invarianten der visuellen Umgebung abgespeichert,
auf deren Basis auch zeitlich getrennt präsentierte
Reize verglichen und bewertet werden, um schon
nach wenigen Millisekunden und ohne Zuwendung
von Aufmerksamkeit unerwartete Veränderungen zu
detektieren (siehe Berti & Schröger, 2004). In Abb. 3
ist das Ergebnis dieser Studie zusammengefasst: Es
zeigt sich, dass bereits nach 200 Millisekunden ein
deutlicher Unterschied bei der Verarbeitung der veränderten
Reize zu beobachten ist. Diese Verarbeitung
ist in dem Sinne automatisch, als dass die Versuchspersonen
ihre Aufmerksamkeit auf einen anderen
Aspekt der visuellen Stimulation richteten. Die
Fähigkeit, möglichst schnell Veränderungen in der
visuellen Umwelt zu entdecken, die nicht im Fokus
der Aufmerksamkeit liegen, ist etwa im Straßenverkehr
von besonderer Bedeutung. Während im Alltag
allerdings deutliche Veränderungen wie das plötzliche
Erscheinen eines Objektes oder Bewegungs- und
Geschwindigkeitsänderungen Aufmerksamkeit anziehen,
zeigt sich in unseren Laborexperimenten,
dass auch vergleichsweise geringe Veränderungen
auf Basis eines sensorischen Gedächtnisvergleichsprozesses
erkannt werden. Die Verteilung der EKPs
(Abb. 3, rechts) auf der Schädeloberfläche legt die
Vermutung nahe, dass die primären, visuellen Areale
Quelle dieser Prozesse sind. Dies ist ein weiterer Hinweis
darauf, dass dieser Gedächtnisvergleichsprozess
tatsächlich eine Leistung des sensorischen Systems
ist und in diesem Sinne kognitive Funktionen
deutlich früher in der Informationsverarbeitung verankert
sind, als man oftmals annimmt.
Zur Zeit messen wir EKPs, die bestimmten Phasen
der Kontaktzeitschätzung zugeordnet werden können,
um der bislang ungeklärten Frage nachzugehen,
ob es beim Menschen ein Modul (etwa Kortexareal
MT) gibt, das bei jeder Kontaktzeitschätzung aktiv
wird, ähnlich wie man es bei Tauben gefunden hat.
Ebenso sind wir dabei, Blickbewegungen und EKPs
miteinander in Beziehung zu setzen, um Prozessen
der Objekterkennung auf die Spur zu kommen.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die
Kombination von VR mit neurowissenschaftlichen
Methoden eine weitgehend einmalige Chance darstellt,
um die Prozesse zu analysieren, die der visuellen
Wahrnehmung zugrunde liegen. Diese Methodenkombination
werden wir in Zukunft weiterentwickeln,
um die daraus erwachsenden Chancen in
Mainz zu nutzen.
■ Summary
We explore the processes underlying human visual
perception. To do so, during the last two years we
have assembled a technology that allows us to simulate
complex scenes, as for example vehicles approaching
an observer on collision course. It also enables
us to relate behavioral measures such as reaction
time with electrophysiological parameters such as
evoked brain potentials. The integrative approach,
set within a virtual reality laboratory, combines computer
science, electrophysiology, and cognitive psychology.
We report findings that support the advantage
of this approach.
Literatur
Berti, S., Schröger, E. (2004). Distraction effects in vision: behavioral and event-related brain potential indices. Neuroreport
15, 665-669.
Hecht, H., Savelsbergh, G. J. P. (Eds.) (2004). Time-to-contact. Amsterdam: Elsevier Science Publishers.
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Univ.-Prof. Dr. phil.
Heiko Hecht
Prof. Dr. rer. nat.
Stefan Berti
HEIKO HECHT absolvierte sein Studium an den Universitäten
Trier und Virginia, USA. Die Promotion
erfolgte 1991 an der Universität von Virginia. Danach
war er am Max-Planck-Institut für Psychologische
Forschung tätig, an der Ludwig-Maximilians Universität
in München, am NASA Ames Research Center,
am Zentrum für interdisziplinäre Forschung der Universität
Bielefeld sowie am Center for Space Research
(Man-Vehicle Laboratory) am Massachusetts
Institute of Technology in Cambridge, MA. Seit 2002
ist Heiko Hecht Professor für Allgemeine Psychologie
an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. Seine
Interessen sind Wahrnehmen und Handeln in extremen
Umgebungen, Kontaktzeitschätzung, virtuelle
Realität und künstliche Schwerkraft.
STEFAN BERTI, geboren 1970 in Frankfurt/Main, studierte
in Frankfurt/Main, Gießen und Leipzig Psychologie,
Sportwissenschaft und Logik/Wissenschaftstheorie
und promovierte 2001 in Leipzig in Psychologie
mit einem neuropsychologischen Thema. Seit Juni
2003 ist Stefan Berti am Psychologischen Institut der
Johannes Gutenberg-Universität Mainz als Juniorprofessor
für Kognitionswissenschaft tätig. Schwerpunkte
seiner Arbeit sind die Neurokognition der
Aufmerksamkeit, der Wahrnehmung, des Arbeitsgedächtnisses
und der Motorik, die mit Mitteln der
Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und aus
dem Forschungsfond der Johannes Gutenberg-Universität
gefördert werden.
■ Kontakt:
Univ.-Prof. Dr. phil. Heiko Hecht
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Psychologisches Institut
Staudingerweg 9
55099 Mainz
Tel. +49 (0) 6131 39-22481
Fax +49 (0) 6131 39-22480
E-Mail: hecht@uni-mainz.de
http://www.psych.uni-mainz.de/abteil/aep/hecht/
Laseroptik • Entwicklung •
Spezialanfertigung
■ Beschichtungen
für HR, PR, AR, Metalle
■ Standardoptik
■ Sonderoptik
www.lens-optics.de
borchers@lens-optics.de
Fon +49 (0)8166/99 40 83
Fax +49 (0)8166/99 47 47
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