Reference frames reverse biases in human heading perception

Wanneer we ons door de wereld bewegen, zien onze ogen niet alleen statische plaatjes; ze zien een stromende stroom van visuele informatie die bekend staat als optische flow. Stel je voor dat je op een perron staat terwijl een trein wegrijdt: de rails en de stationsmuren lijken naar buiten te strekken vanaf een enkel punt voor je. Dit visuele patroon is de belangrijkste aanwijzing die ons brein gebruikt om te bepalen in welke richting we reizen, een gevoel dat wetenschappers 'heading' (koers) noemen. Decennialang hebben onderzoekers geprobeerd precies in kaart te brengen hoe het brein deze richting berekent, maar ze liepen tegen een verwarrende muur aan. Sommige experimenten suggereerden dat wanneer mensen hun richting proberen te raden, ze de neiging hebben om iets meer naar het midden te richten, alsof ze naar binnen worden getrokken. Andere experimenten, met andere opstellingen, vonden het tegenovergestelde: mensen leken eerder iets van het centrum af te richten, naar buiten geduwd. Deze tegenstrijdigheid liet wetenschappers zich afvragen of het brein simpelweg onbetrouwbaar was of dat iets aan de manier waarop de experimenten waren ontworpen hen in de war bracht.

Een team van onderzoekers onder leiding van Renate Reisenegger aan de Universiteit van Marburg heeft nu een oplossing voorgesteld voor dit decennia oud probleem. Zij suggereren dat het brein niet inconsistent is; het antwoord hangt er juist volledig van af hoe de persoon wordt gevraagd zijn richting te rapporteren. De studie, gepubliceerd in een recent nummer van een wetenschappelijk tijdschrift, onthult dat het mentale perspectief dat we aannemen — of we nu over onze beweging nadenken vanuit ons eigen gezichtspunt of vanuit een losgekoppeld, kaartachtig overzicht — de richting van de fout fundamenteel verandert. Door dezelfde mensen te testen met exact dezelfde visuele scènes, maar hen op twee verschillende manieren te laten antwoorden, lieten de onderzoekers zien dat het brein simpelweg door de regels van het spel te veranderen naar binnen kan worden getrokken of naar buiten kan worden geduwd.

Om dit idee te testen, bouwde het team een unieke laboratoriumopstelling met een enorm, gebogen scherm dat de kijker omringt en een gezichtsveld van ongeveer 224 graden beslaat. Deze "randloze" display maakte het voor deelnemers mogelijk om een brede, meeslepende simulatie te zien van het lopen over een vlakke grond gemaakt van bewegende stippen, zonder zichtbare grenzen die hen zouden afleiden. In het eerste deel van de studie bekeken dertig-zevenentwintig vrijwilligers deze korte clips van zelfbeweging en kregen zij de opdracht te rapporteren waar zij dachten heen te gaan. De onderzoekers verdeelden de taak in twee duidelijke modi. In de eerste modus, de "egocentrische" conditie, rapporteerden deelnemers hun richting vanuit hun eigen perspectief, waarbij ze naar een punt op een horizontale lijn wezen die hun directe gezichtsveld vertegenwoordigde. In de tweede modus, de "allocentrische" conditie, kregen deelnemers de opdracht om zich voor te stellen dat ze van bovenaf keken, zoals een vogel, en om hun richting aan te wijzen op een cirkelvormige boog of een volledige cirkel.

De resultaten waren opvallend en direct. Wanneer deelnemers vanuit hun eigen perspectief rapporteerden, driften hun schattingen consequent richting de rechte voorwaartse richting. Als ze in werkelijkheid iets naar links bewogen, rapporteerden ze dat ze nog dichter bij het midden bewogen. Dit staat bekend als een centripetale bias (naar binnen gerichte afwijking). Echter, wanneer precies dezelfde mensen overschakelden naar het "vogelperspectief" en hun richting rapporteerden in het allocentrische kader, keerde de bias volledig om. Nu driften hun schattingen juist weg van het centrum. Als ze iets naar links bewogen, rapporteerden ze dat ze nog verder naar links bewogen. Deze centrifugaal gerichte bias (naar buiten gerichte afwijking) trad op, ook al was de visuele stimulus identiek en was het bereik van de mogelijke antwoorden in beide gevallen hetzelfde. De onderzoekers testten ook of de omvang van het antwoordbereik de oorzaak was, zoals sommige eerdere theorieën hadden gesuggereerd, maar ontdekten dat het veranderen van de grootte van de cirkel de richting van de bias niet veranderde. Het enige dat tel matter deed, was het referentiekader.

Om te begrijpen wat er in het brein gebeurde tijdens deze overgang, voerde het team een tweede experiment uit met een andere groep van eenentwintig vrijwilligers. Deze keer gebruikten ze standaard computermonitoren en registreerden ze de hersenactiviteit van de deelnemers met behulp van elektro-encefalografie, of EEG, wat de elektrische signalen op de hoofdhuid meet. De deelnemers bekeken dezelfde bewegende stippen, maar in plaats van een richting aan te wijzen, moesten ze snel beslissen of een korte flits links of rechts van hun herinnerde koers verscheen. Cruciaal was dat er vóór elke poging een aanwijzing verscheen die hen vertelde of ze hun eigen perspectief of het vogelperspectief moesten gebruiken. De onderzoekers concentreerden zich op het moment tussen de aanwijzing en het antwoord, een tijd waarin het brein de visuele informatie aan het voorbereiden is om te transformeren.

De hersenscans onthulden een duidelijk verschil in activiteit afhankelijk van de taak. Wanneer deelnemers zich voorbereiddenden om in het vogelperspectief te antwoorden, vertoonden hun hersenen een significante toename in ritmische elektrische activiteit in de theta- en alfa-frequentiebanden, specifiek boven de achterkant en bovenkant van het hoofd. Dit patroon van activiteit wordt vaak geassocieerd met hersengebieden die betrokken zijn bij navigatie en ruimtelijk geheugen, zoals de retrospleniale cortex en de hippocampus. In contrast hiermee, wanneer zij zich voorbereidden om vanuit hun eigen perspectief te antwoorden, was deze extra golf van activiteit afwezig. Dit suggereert dat het brein harder moet werken om de mentale gymnastiek te verrichten die nodig is om te schakelen van een zelfgericht beeld naar een wereldgericht kaartbeeld, en dat deze extra verwerkingsstap waarschijnlijk de naar buiten gerichte bias introduceert.

Ten slotte gebruikten de onderzoekers een computermodel gebaseerd op hoe het brein sensorische informatie combineert met eerdere verwachtingen om deze bevindingen te verklaren. Het model toonde aan dat de interne "kaart" van het brein over wat waarschijnlijk zal gebeuren, verandert afhankelijk van de taak. Wanneer mensen over hun beweging nadenken vanuit hun eigen perspectief, vertrouwen ze sterk op het specifieke bereik van bewegingen dat ze net zagen, wat hun schatting naar het midden trekt. Maar wanneer ze overschakelen naar het vogelperspectief, lijkt het brein een bredere, vlakkere verwachting aan te nemen, waarbij het ervan uitgaat dat beweging in elke richting over de volledige cirkel kan plaatsvinden. Deze verschuiving in verwachting, gecombineerd met de natuurlijke gevoeligheid van het brein voor beweging recht vooruit, creëert de naar buiten gerichte duw. De studie concludeert dat de tegenstrijdige resultaten in de geschiedenis van het onderzoek naar koersrichting niet te wijten waren aan een fout in de menselijke perceptie, maar aan het feit dat verschillende experimenten onbewust aan het brein vroegen om het probleem op te lossen in twee verschillende coördinatensystemen. Door te erkennen dat het referentiekader zelf de bias aanstuurt, heeft het team een langlopend mysterie in de visuele wetenschap opgelost, waarmee wordt aangetoond dat de manier waarop we een vraag stellen, de fundamentele aard van het antwoord dat ons brein geeft, kan veranderen.