WÜRGEN FÜR DIE WISSENSCHAFT

Die Wirklichkeit ist nur eine Illusion, sagen Wahrnehmungsforscher des Tübinger Max-Planck-Instituts für biologische Kybernetik. Doch warum wird einem dann im „Cyberneum” ganz real übel? Es ist stockfinster. Ich sitze festgeschnallt in einem Autositz gut drei Meter über dem Boden und lausche in meinen Kopfhörer hinein. „Können Sie mich hören?”, ertönt die Stimme von Hans-Günther Nusseck. Der Versuchstechniker des Max-Planck-Instituts für biologische Kybernetik in Tübingen sitzt nebenan in einem durch Glas und lichtdichte Jalousien abgeschirmten Raum. Er erklärt mir das Experiment, das nun beginnen wird. Die Versuchsperson bin ich. Am langen Arm eines riesigen Industrieroboters, gesteuert von Nussecks Computer, wird der Autositz gleich unsanft durch die Halle des Cyberneums sausen. Cyberneum – so heißt das neue Forschungsgebäude der Tübinger Wahrnehmungsexperten, das mit seinen spektakulären Bewegungsapparaten und virtuellen Scheinwelten einem Rummelplatz für hartgesottene Naturen gleicht. Nusseck will herausfinden, wie gut ich die Bewegungen des Roboterarms verfolgen kann, wenn mir nur der Gleichgewichtssinn zur Verfügung steht. Meinen Sehsinn hat der Wissenschaftler bereits ausgeschaltet, als er die Rollos des turnhallengroßen Raums schloss. Nun schaltet er ein lautes Rauschen auf den Kopfhörer und legt damit auch meinen akustischen Sinn lahm. Mir bleibt nur noch mein Vestibularsystem, jenes hochsensible Sinnesorgan in meinem Innenohr. „Tröööööt” schallt es aus dem Kopfhörer: Das Signal zum Start übertönt das Rauschen. Am Rand der Halle leuchtet in finsterer Nacht eine rote Lampe auf, um gleich wieder zu verlöschen. Meine Aufgabe ist es, mit dem Lenkrad den Roboterarm so zu drehen, dass ich genau vor der Lampe zum Stehen komme – oder eben dort, wo ich sie vermute. Der Roboterarm kann dabei zwar nur Kreisbewegungen ausführen, doch ich merke sofort, wie schwer mir seine Steuerung in der Dunkelheit fällt. DEM GERÄT AUSGELIEFERT Während sich der Arm leise ruckelnd dreht, horche ich in mich hinein. Ich versuche, mir ein Bild vorzustellen, das mich und meine Orientierung im Raum zeigt. Ich starre in die Dunkelheit. Oder geht es besser mit geschlossenen Augen? Nach jedem Anfahren einer Lampe ertaste und drücke ich einen Knopf neben dem Lenkrad: Für Hans-Günther Nusseck ist es das Signal, dass ich nun am Ende meiner Fahrt angekommen bin. Sein Computer speichert dann die Position, und der Arm fährt ruckartig an eine beliebige neue Ausgangsposition. Keine angenehme Erfahrung, dem Gerät so ausgeliefert zu sein. Wieder ertönt das Tröten im Lautsprecher. Die Fahrt beginnt von Neuem. So geht es weiter – Runde um Runde. Die Dunkelheit, das Rauschen des Kopfhörers, die Monotonie der Aufgabe, das Ruckeln des Roboterarms, das heftige Anfahren und Abbremsen: Ich fühle mich in einen tranceähnlichen Zustand versetzt. Und es kostet mich enorme Kraft, dass ich mich auf einen einzigen Sinn verlassen muss. Wo doch der Mensch dafür gebaut ist, die Welt mit allen Sinnen gleichzeitig wahrzunehmen. Ich spüre förmlich die Aktivität in jener Region des Gehirns, die jetzt Schwerstarbeit verrichten muss: dort wo die Informationen verarbeitet werden, die von den hoch empfindlichen Bewegungssensoren meines Vestibularsystems ins Gehirn gelangen. Was bei dieser Verarbeitung von Informationen genau passiert, ist eine der Fragen, die Professor Heinrich Bülthoff heftig umtreiben. Der Direktor der Abteilung Kognitive Humanpsychophysik des Tübinger Instituts beschäftigt sich seit Jahren damit, wie der Mensch die Welt wahrnimmt, die ihn umgibt. Seine Erkenntnis: Es ist eine Illusion zu glauben, wir nähmen die Welt so wahr, wie sie ist. Eine solche objektive Wahrnehmung gibt es nicht. Denn zu den Informationen, die von allen Sinnesorganen Sekunde um Sekunde auf den Menschen einprasseln, liefert das Gehirn stets einen eigenen Beitrag: Es kategorisiert, interpretiert und steuert Erkenntnisse aus früheren Erfahrungen bei. Heinrich Bülthoff, der in seinem Büro im Nachbargebäude des Cyberneums sitzt, erklärt das an einem einfachen Beispiel: „Sehen Sie sich in diesem Raum um. Aus Ihrer Erfahrung wissen Sie, dass sich die Möbel und die anderen Dinge nicht einfach so verändern”, sagt der Wissenschaftler und weist mit ausladender Geste auf die Einrichtung. „Auch wenn Sie gerade nicht hinsehen, gehen Sie davon aus: Es ist alles noch da.” HUND ODER KATZ? Die gesamte menschliche Wahrnehmung funktioniert mit solchen Annahmen, bei denen das Gehirn aus einem gewaltigen Fundus eigener Erfahrungen schöpft. Ein wesentliches Element dabei ist die Wahrnehmung in Kategorien: Ein kleines Kind lernt rasch, was ein Hund ist und verwechselt ihn nicht mit einer Katze – egal ob das Tier groß und schwarz oder klein und braun ist. „Ohne diese Kategorisierungsleistung geht es nicht. Wir hätten sonst keine Sprache, keine Kommunikation”, sagt Bülthoff. Die menschliche Wahrnehmung ist weit entfernt von Objektivität. Denn Kategorien sind etwas Willkürliches. Die Liste von Beispielen ließe sich noch endlos verlängern. Es gibt keinen Aspekt der menschlichen Wahrnehmung, der nicht vom Gehirn mit seinen Annahmen und Erfahrungen beeinflusst wäre. Doch welche Regeln gelten dabei? Und wie beeinflussen sich die unterschiedlichen Sinne gegenseitig? Um diesen Fragen nachzugehen, haben Bülthoff und seine Mitarbeiter eine Fülle von Experimenten aufgebaut, die eines gemeinsam haben: Sie eröffnen den Blick in die Arbeit einzelner Sinne, indem sie den Einfluss anderer Wahrnehmungsformen ausblenden – wie bei meinem Experiment mit dem Autositz auf dem Roboterarm. Dieses Experiment befasst sich allein mit dem Gleichgewichtssinn. Hans-Günther Nusseck und seine Kollegen wollen herausfinden, in welcher Weise und wie stark er von der Erfahrung beeinflusst ist. Erste Anhaltspunkte gibt es schon, erklärt der Forscher, als er nach dem Versuch meine am Roboterarm vollbrachten Leistungen in seinem Auswerteprogramm durchgeht. „ Sie sind immer zu weit gefahren – im Durchschnitt etwa 30 Zentimeter”, erklärt Nusseck. Das deckt sich mit den bisherigen Ergebnissen der Versuchsreihe. Demnach wird die eigene Bewegung meist unterschätzt. Man wähnt sich noch nicht am Ziel – und dreht den Roboterarm zu weit. IN DIE KURVE GELEGT Um zu klären, welche vom Gehirn eingebrachten Erfahrungen dabei mitspielen, hat Nusseck einen weiteren Faktor in seinen Versuch eingebaut, von dem ich kaum etwas bemerkt habe: Immer wieder hat er meinen Sitz während der Bewegung leicht gekippt – manchmal so, dass ich mich ein wenig in die Kurve gelegt habe, manchmal auch in die entgegengesetzte Richtung. Damit konnte Nusseck mein Gleichgewichtsorgan täuschen, denn es kann bloß die Kräfte messen, die an meinem Körper angreifen: Ob diese Kräfte von einer Beschleunigung herrühren oder von der veränderten Richtung der Gravitation, kann es nicht unterscheiden. Resultat: Wenn mich Nusseck bei der Drehung in die Kurve legte, nahm ich die Beschleunigung als geringer wahr. Umgekehrt war die gefühlte Beschleunigung größer, wenn er mich in meinem Sitz aus der Kurve lehnte, sodass es mir erging wie einem schlafenden Passagier in einem Auto, das schnell um eine Kurve fährt. „Genau diesem Berechnungsschritt des Gehirns wollen wir auf die Schliche kommen”, erklärt Nusseck. Denn wie sich dieses Plus oder Minus an Beschleunigung auf die Einschätzung der vollbrachten Bewegung auswirkt, hängt mit der Erfahrung zusammen, die man immer wieder beim Autofahren macht: Auch hier legt man sich nicht in die Kurve wie ein Motorradfahrer, sondern neigt sich mitsamt dem Fahrzeug in die entgegengesetzte Richtung – legendär geworden ist das beim Citroën 2CV, der „Ente”. Diese schon tausendfach gesammelte, wenn auch unbewusste Erfahrung könnte beim Einschätzen der Bewegung des Roboterarms mitspielen, meint Nusseck. Mit der Wahrnehmung von Bewegungen befasst sich auch Jennifer Campos, Postdoc am Tübinger Max-Planck-Institut. Die Forscherin, die ihr Labor ebenfalls im Cyberneum hat, arbeitet mit einem Sinn, dessen Existenz vielen Menschen gar nicht bewusst ist: dem von den Beinen vermittelten Gefühl für die beim Gehen zurückgelegte Entfernung. Diese Information verknüpft das Gehirn mit den visuellen Eindrücken und erzeugt daraus eine Einschätzung der Bewegung im Raum. Auch dieser Abgleich ist selbstverständlich von unserer Erfahrung geprägt. Doch wie funktioniert das Zusammenspiel der Sinne genau? AM GRUND DES GRABENS Um das herauszufinden, stellt mich die Forscherin auf ein Laufband und setzt mir eine Brille mit integriertem Bildschirm auf. Darin blendet sie einen schnurgeraden virtuellen Graben ein, an dessen Grund ich zu stehen scheine und den ich nun entlanglaufen soll. Doch bevor sie das Laufband in Bewegung setzt, hängt sie mich noch in einen von der Decke baumelnden Klettergurt – wie ein Kleinkind, das gerade laufen lernt. So kann ich nicht vom Band fallen, sollte ich, blind wie ich in der realen Welt nun bin, das Gleichgewicht verlieren. Etwas unbeholfen ertasten meine Beine das Laufband, dann beginnt auch schon das Experiment. Ein paar Schritte gehe ich durch den virtuellen Graben, das Laufband rutscht dabei unter meinen Füßen durch, dann stoppt es. In dem Graben erscheint nun ein Ball, den ich über einen Joystick in meiner Hand vor- und zurückschieben kann. Ich soll den Ball genau in der Entfernung vor mir ablegen, die ich glaube, zuvor zurückgelegt zu haben. Was ich nicht weiß: Jennifer Campos manipuliert mich. Sie lässt das Band schneller oder langsamer laufen, als es dem zugehörigen Bild entspricht, das sie mir über die Brille einspielt. So weicht die Information, die meine Beine ans Gehirn übermitteln, von dem ab, was meine Augen sehen. Die Stelle, an der ich den virtuellen Ball schließlich ablege, lässt sie auf die Gewichtung schließen, die mein Gehirn den beiden Sinnesreizen gibt. „Ein solcher Simulator könnte auch für die Rehabilitation von Patienten eingesetzt werden”, erklärt Campos. Er könnte beispielsweise Schlaganfallpatienten helfen, die Bewegung im Raum und die Koordination zu üben, ohne dass ihnen ein Sturz droht. UNTERWEGS IM CYBERRAUM Gleich neben dem Laufband wartet Lili Tcheang mit einem weiteren Versuchsaufbau auf mich: Die Ausrüstung besteht aus einem geradezu grotesk anmutenden Helm, an dessen Halbschale fünf mit weißen Kugeln bestückte Stäbe befestigt sind. Anhand dieser Kugeln kann ein an der Wand des Raums angebrachter Sensor meine Lage im Raum bestimmen. Zur Ausrüstung gehören auch ein Rucksack mit einem Laptop und eine Brille mit integriertem Bildschirm. Bei diesem Experiment kann ich mich frei bewegen. Doch dank des Bildes, das der Laptop auf meinem Rücken an den Bildschirm in der Brille sendet, wähne ich mich in einem virtuellen Raum. Darin kann Lili Tcheang seltsame Dinge erscheinen lassen – eine schwebende Kaffeekanne, ein kegelförmiges Objekt oder einen Fußball. Lili Tcheang nimmt mich bei der Hand. Gemeinsam gehen wir ein paar Schritte – sie in der realen Welt, ich in dem virtuellen Raum, der sich vor mir durch das eingeblendete Bild aufbaut. Dann lässt Tcheang mich los, und ich soll zurück zu dem Punkt gehen, wo wir angefangen haben. Wenn ich meine, dort angekommen zu sein, lässt die Forscherin einen Fußball am wirklichen Startpunkt erscheinen: So kann ich sehen, um wie viel ich das Ziel verfehlt habe. Auch hier täuscht die Wissenschaftlerin meine Sinne: Sie verändert das eingeblendete Bild so, dass ich mich schneller oder langsamer durch den virtuellen Raum zu bewegen scheine, als meine Beine mich glauben lassen. So kann sie herausfinden, wie das Gehirn die räumliche Orientierung im Raum aus dem Zusammenwirken visueller Eindrücke mit den Reaktionen meines Vestibularsystems und dem Gefühl, das meine Beine übermitteln, koordiniert. Wieder zurück in der realen Welt, bringt mich eine Mitarbeiterin Bülthoffs in die Tübinger Innenstadt. Sie liegt nur ein paar Schritte vom Cyberneum entfernt, denn auch sie ist nur virtuell. „Virtual Tübingen” heißt das Experiment, das die Forscher in einem dunklen Kellerraum des Instituts aufgebaut haben. Computerbilder der Tübinger Altstadt werden mit mehreren kombinierten Videobeamern auf eine drei Meter hohe Leinwand projiziert, die wie die Innenseite eines Reifens gewölbt ist, sodass ein dreidimensional anmutendes Bild entsteht. Rund 200 Häuser und eine Fläche von rund 500 mal 150 Metern können virtuell erkundet werden. Dazu drückt mir ein Mitarbeiter einen Joystick in die Hand, und ich muss in dicke Filzpantoffeln schlüpfen, damit ich den Boden der gewölbten Leinwand nicht beschädige. Ich ziehe den Joystick zu mir her – und habe sofort das Gefühl zu fliegen, obwohl meine Füße doch festen Boden spüren. Mit sanften Bewegungen steuere ich meinen Flug durch die engen Tübinger Altstadtgassen, zunächst zaghaft, denn ich will nicht gegen eine Hauswand prallen. Dann werde ich immer rasanter. Der Eindruck der vorbeifliegenden Fachwerkfassaden ist täuschend echt. Ich vergesse fast, dass ich in einem dunklen Keller bin. AM RAND DER WELT „Stoppt Castor!” lese ich im Vorbeifliegen als Graffito an einer Hauswand, bemüht, nicht ins Schaufenster einer Bausparkasse zu krachen, in der ich vage die aktuellen Immobilienangebote erkennen kann – so detailgetreu sind die Aufnahmen, die von den Forschern zum virtuellen Tübingen zusammengesetzt wurden. Nur an einer Stelle komme ich ins Straucheln: als ich an die Grenze gerate, an der die Stadt im Computer plötzlich aufhört. Dort zeigt sich ein Abgrund, bei dessen Anblick sich mir unwillkürlich die Vorstellung vom Ende der Welt als Rand einer Scheibe aufdrängt. Gruselig. Doch auf Dauer wird der Flug anstrengend. Denn etwas stimmt nicht: Nur visuelle Eindrücke erreichen mein Gehirn, aber mein Gleichgewichtssinn bekommt von der Bewegung im virtuellen Raum nichts mit. Von diesem Widerspruch wird mir schwindelig. Doch bevor Übelkeit und Kopfschmerzen mich überwältigen, beende ich lieber den Flug und lasse mir von Bülthoffs Mitarbeitern erklären, was mit „Virtual Tübingen” alles möglich ist. Die Wissenschaftler nutzen das System beispielsweise, um herauszufinden, wie Menschen sich in einer fremden Stadt orientieren und welche Rolle das Gedächtnis und andere Sinne dabei spielen. Ein Experiment ging so: Probanden, die nie zuvor in Tübingen gewesen waren, bekamen eine Route durch die Innenstadt gezeigt. Gleichzeitig hatten sie sprachliche oder visuelle Aufgaben zu bewältigen oder mussten angeben, aus welcher Richtung ein bestimmter Signalton kam. Nach dieser Lernphase mussten sie den Weg durch die Stadt wiederfinden. Dadurch konnten die Forscher erkennen, welche der drei Aufgaben den Orientierungssinn am meisten gestört hatte: Es waren die Sprechtests. Sie sorgten für die größte Verwirrung. WENN HÖREN UND SEHEN VERGEHEN Die Tests zum räumlichen Hören und zum Sehen hatten hingegen einen geringeren Einfluss. Das Ergebnis lässt darauf schließen, dass die menschliche Orientierung stark an sprachliche Fähigkeiten gekoppelt ist. Wer hätte das gedacht? In anderen Experimenten arbeiteten die Max-Planck-Forscher mit Probanden, die sich in Tübingen bereits auskannten, denen die Altstadtgebäude und -gassen also bekannt waren. Da sich die Bilder des virtuellen Tübingen natürlich manipulieren lassen, konnten die Wissenschaftler nach Belieben markante Punkte austauschen und dann erproben, was die Probanden straucheln ließ. Ich verlasse die abgedunkelten Labors des Instituts und trete in den realen kühlen Abend. Mir schwirrt der Kopf, mir summen die Ohren, und auch meinem Magen sind die Ausflüge in die virtuelle Welt nicht gut bekommen. Tief durchatmend blicke ich mich um. Meine Augen liefern Bilder, meine Ohren Töne, mein Gleichgewichtsorgan Signale über meine Bewegung und meine Lage im Raum, meine Beine lassen mich meinen Standpunkt spüren. Und mein Gehirn baut aus all dem etwas zusammen, was manche die objektive Wirklichkeit nennen. Was sie aber nicht ist. Bülthoffs Botschaft ist angekommen. ■ von Ulrich Dewald KOMPAKT · Um das Zusammenspiel der Sinne zu studieren, ersinnen Forscher Experimente, in denen nur einer davon, beispielsweise der Gleichgewichtssinn, gefordert ist. · Oder sie bringen durch kleine Manipulationen zwei Sinne zueinander in Widerspruch. · Die Experimente in virtueller Umgebung haben erstaunliche Erkenntnisse gebracht, etwa über die menschliche Orientierung. MEHR ZUM THEMA Internet Homepage des Tübinger Max-Planck-Instituts für biologische Kybernetik: www.kyb.mpg.de Homepage des Cyberneums mit Erklärung zahlreicher Experimente: www.cyberneum.de „Virtual Tübingen” mit zahlreichen Erklärungen und Animationsfilmen: virtual.tuebingen.mpg.de