Active vision modulates early cortical stages of visual processing: Evidence from MEG and eye-tracking

Sehen ist selten ein passiver Akt des bloßen Empfangens von Licht. Für Menschen und viele andere Säugetiere ist das Sehen ein aktiver Prozess, der durch ständige, schnelle Augenbewegungen, sogenannte Sakkaden, angetrieben wird. Wir machen drei bis vier dieser Sprünge pro Sekunde und verlagern unseren Blick von einem Punkt zum anderen, um ein stabiles Bild der Welt aufzubauen. Seit Jahrzehnten wissen Wissenschaftler, dass das Gehirn eine Art interne Kopie des motorischen Befehls verwendet – des Signals, das dem Auge sagt, sich zu bewegen –, um diese Sprünge zu kompensieren und sicherzustellen, dass die Welt nicht verschwommen oder wild schwankend erscheint. Eine hartnäckige Frage blieb jedoch bestehen: Wenn das Auge an einem neuen Ort landet und dort verweilt, verändert die Tatsache, dass das Auge dorthin gegangen ist, wie das Gehirn das Bild verarbeitet, das es sieht? Oder behandelt das Gehirn das Bild exakt so, als wäre das Objekt einfach an dieser Stelle erschienen, während das Auge vollkommen ruhig geblieben wäre?

Ein Forscherteam der Universität Trient und der Radboud Universität machte sich daran, dies zu beantworten, indem es direkt den visuellen Kortex untersuchte, den Bereich des Gehirns, der für die visuelle Verarbeitung zuständig ist. Sie wollten wissen, ob die Geschichte einer Augenbewegung – insbesondere der flüchtige Blick auf ein Objekt kurz bevor das Auge darauf landet – eine andere Spur im Gehirn hinterlässt, wenn das Auge willentlich sich bewegt, im Vergleich zu wenn dieselbe visuelle Eingabe ohne die Bewegung geliefert wird. Ihre Arbeit legt nahe, dass das Gehirn nicht nur eine Kamera ist, die Licht aufzeichnet; es ist ein dynamisches System, in dem der Akt des Sehens selbst die Art und Weise verändert, wie Informationen verarbeitet werden, selbst in den frühesten Stadien der visuellen Verarbeitung.

Um dies zu untersuchen, entwarfen die Forscher ein Experiment, das den Akt der Augenbewegung von der visuellen Erfahrung des Erscheinens eines Objekts trennte. Sie rekrutierten sechsunddreißig Erwachsene und platzierten sie in einem ruhigen Raum, der mit einem Magnetoenzephalographie-Gerät (MEG) ausgestattet war, welches die winzigen Magnetfelder misst, die durch die elektrische Aktivität im Gehen produziert werden, sowie einem Hochgeschwindigkeits-Eye-Tracker. Die Teilnehmer führten eine einfache Aufgabe aus: Sie mussten entscheiden, ob ein Objekt, das sie sahen, leicht nach links oder nach rechts geneigt war. Das Experiment entfaltete sich in drei verschiedenen Szenarien. Im ersten, der „Sakkaden“-Bedingung, blickten die Teilnehmer auf einen zentralen Punkt und machten dann eine schnelle Augenbewegung zu einem neuen Objekt, das in ihrer Peripherie erschien. In der zweiten, der „Replay“-Bedingung, hielten sie ihre Augen auf die Mitte fixiert, während das Objekt über den Bildschirm wanderte, um in der Mitte ihres Sichtfeldes zu landen, was den visuellen Input der ersten Bedingung imitierte, aber ohne die Augenbewegung geschah. In der dritten, der „Blank“-Bedingung, machten sie eine Augenbewegung wie im ersten Szenario, aber ein leerer Bildschirm erschien für einen kurzen Moment, bevor das Zielobjekt auftauchte.

Entscheidend war, dass die Forscher einen Kniff einführten, um zu testen, wie das Gehirn vergangene Informationen nutzt. Vor der Augenbewegung oder dem Erscheinen des Objekts sahen die Teilnehmer eine Vorschau des Zielobjekts. Manchmal war diese Vorschau ein klares Bild des Objekts (eine valide Vorschau), und manchmal war sie eine verzerrte, verschwommene Version, die keine nützlichen Informationen lieferte (eine invalide Vorschau). Wenn das Gehirn sich einfach an wiederholte Bilder anpassen würde, sollte der Unterschied zwischen dem Sehen einer klaren Vorschau und einer verzerrten Vorschau unabhängig davon gleich sein, ob das Auge bewegt wurde oder das Objekt sich bewegte. Die Forscher fanden jedoch etwas anderes heraus. Wenn die Teilnehmer ihre Augen aktiv zum Objekt bewegten, war die Reaktion des Gehirns im primären visuellen Kortex signifikant unterschiedlich, je nachdem, ob die Vorschau klar oder verzerrt war. Das Gehirn zeigte einen starken „Vorschau-Effekt“, was bedeutet, dass es das endgültige Objekt anders verarbeitete, basierend auf dem, was es nur einen Bruchteil einer Sekunde zuvor gesehen hatte.

Im Gegensatz dazu verschwand dieser Vorschau-Effekt, wenn das Objekt zur Mitte des Bildschirms wanderte, während die Teilnehmer ihre Augen ruhig hielten. Das Gehirn reagierte auf das Objekt auf die gleiche Weise, unabhängig davon, ob die Vorschau klar oder verzerrt gewesen war. Dieser Befund deutet darauf darauf hin, dass das Ge𝗵ril nicht nur den visuellen Input verarbeitet, sondern diese Verarbeitung basierend auf der aktiven Natur der Augenbewegung moduliert. Die Forscher schlossen auch eine häufige alternative Erklärung aus: die neuronale Adaptation. Adaptation ist ein Prozess, bei dem Neuronen nach wiederholter Stimulation weniger reaktionsfähig werden. Wenn die Adaptation der einzige Faktor gewesen wäre, hätte das Einfügen eines leeren Bildschirms zwischen die Vorschau und das Zielobjekt die Ergebnisse auf eine bestimmte Weise verändert. Stattdessen zeigte die „Blank“-Bedingung überhaupt keinen Vorschau-Effekt, was bewies, dass der Unterschied in der Bedingung der aktiven Augenbewegung nicht auf einfache Ermüdung oder die Adaptation der Neuronen zurückzuführen war.

Die Studie lokalisierte diesen Effekt im primären visuellen Kortex, der allerersten Station für visuelle Informationen im Gehirn, spezifisch in der rechten Hemisphäre. Die Daten zeigten, dass das Gehirn, wenn sich ein Auge zu einem Ziel bewegt, die Informationen nutzt, die unmittelbar vor dem Landen gesammelt wurden, um sich auf das Kommende vorzubereiten – ein Prozess, der nicht stattfindet, wenn sich die visuelle Welt von selbst bewegt. Dies deutet darauf hin, dass aktives Sehen nicht bloß daraus besteht, die Augen zu bewegen, um besser sehen zu können; die Bewegung selbst löst einen einzigartigen Verarbeitungsmodus im visuellen Kortex aus. Das Gehirn behandelt die Ankunft eines neuen Bildes als ein distinktes Ereignis, wenn dies das Resultat einer freiwilligen Handlung ist, und integriert die Geschichte dieser Handlung in die unmittelbare Wahrnehmung der Welt.

Diese Ergebnisse stellen die lang gehegte Ansicht infrage, dass der visuelle Kortex einfach auf das Licht reagiert, das auf die Retina trifft, ungeachtet dessen, wie dieses Licht ankam. Stattdessen scheint das Gehirn tief mit dem motorischen System verwoben zu sein und nutzt den Kontext selbstgenerierter Bewegungen, um die Wahrnehmung zu formen. Die Forscher fanden heraus, dass diese Modulation schnell geschieht, innerhalb von etwa zweihundert Millisekunden, nachdem das Auge auf dem Zielobjekt gelandet ist. Obwohl die Studie nicht den exakten neuronalen Pfad identifiziert hat, der das „Ich bewege mich“-Signal zum visuellen Kortex trägt, ist die Evidenz klar, dass ein solches Signal existiert und die Art und Weise, wie wir sehen, grundlegend verändert. Indem sie zeigten, dass das Gehirn dieselbe visuelle Szene unterschiedlich verarbeitet, je nachdem, ob wir uns zu ihr bewegt haben oder sie zu uns bewegt wurde, liefert die Studie ein tieferes Verständnis der aktiven, dynamischen Natur des menschlichen Sehens.