Messung der Wahrnehmung bei Bewusstseinszuständen: Das Paradigma der binokulären Tiefeninversion
Von Prof. Dr. Torsten Passie
Im Jahre 1958 schlug Broadbent ein Modell der Informationsverarbeitung zum Verständnis der Wahrnehmung vor, bei welchem das Datenübertragungssystem eine nur limitierte Kapazität für die übertragbare Menge von Informationen hat. Desweiteren schlug er die Existenz eines „Filters“ vor, welcher den Informationsfluss vom sensorischen Input in das „limited-capacity channel (p-system)“ begrenzt (Broadbent 1958).
Ausgehend vom gegenwärtigen Wissensstand ist Wahrnehmung kein singulärer Prozess, sondern vielmehr Resultat einer Interaktion verschiedener Subsysteme, in denen perzeptuelle und kognitive Faktoren eng miteinander verknüpft sind. Vereinfacht können zwei Grundkomponenten des Wahrnehmungssystems angenommen werden: Eine „Bottom-up“- und eine „Top-down“-Komponente (Wallbott & Ricci-Bitti 1993, Cauller 1995).
Eine Sonderform der visuellen Wahrnehmung ist die binokuläre Tiefeninversion. Bei dieser optischen Illusion kommt es zur räumlichen Umkehr der dreidimensionalen Tiefenwahrnehmung. Wheatstone (1838) identifizierte als erster die binokuläre Disparität als eine Informationsquelle, die vom Menschen genutzt wird, um eine dreidimensionale Wahrnehmung eines Gegenstandes zu erhalten. Diese Wahrnehmungsmöglichkeit hängt von der horizontalen retinalen Disparität zwischen den Sinneseindrücken eines Objektes (projiziert auf beide Retinas) ab. Yellot (1981) zeigte, dass die stereoskopische visuelle Erfahrung aus Vorgängen resultiert, bei welchen das Gehirn Hypothesen im Bezug auf die Dreidimensionalität eines Objektes gegen die Evidenz der retinalen Repräsentationen testet. Menschen erlangen Informationen bezüglich der Dreidimensionalität von Objekten über verschiedene Quellen. Binokuläres Sehen, Bewegungsparallaxen, Texturgradienten, Grundrisskonturen, Lichteinfallsrichtung und Schattengebung tragen Informationen über die Dreidimensionalität bei (Ramachandran 1988, Hill & Bruce 1993). Die genannten Marker werden über die Transformation der geometrischen Information durch räumliche oder zeitliche Verschiebungen des Ausgangspunktes oder – im Falle von Bewegtheit des betrachteten Objektes – durch das Bindeglied zwischen Oberflächeneigenschaften und Geometrie wie Schattengebungen, Texturen und Spiegelungen erkennbar. Die spezifische Interaktion dieser Marker für die Herstellung von Dreidimensionalität ist allerdings ein noch ungelöstes Problem.
Unter bestimmten Umständen kann die sensorische Information über ein pseudoskopisch präsentiertes dreidimensionales Objekt von der bewussten Wahrnehmung verschieden sein. Diese so genannte binokuläre Tiefeninversion tritt beispielsweise dann auf, wenn etwa Gesichtsmasken von ihrer hohlen Seite her (bei Unerkennbarkeit des hohlen Charakters aufgrund von entsprechend eingerichteter Beleuchtung und fixiertem Blickwinkel) gezeigt werden. In diesem Fall werden Hohlgesichter als gewöhnlich aussehende Gesichter wahrgenommen – obwohl die verfügbaren Tiefen-Marker das Umgekehrte anzeigen. Dies geschieht aufgrund des starken Einflusses des zentralnervösen Top-down-Prozesses aus dem Gedächtnis sowie wahrnehmungsmodulierenden Mechanismen höherer Hirnstrukturen. Gegenwärtige Theorien über die visuelle Wahrnehmung nehmen eine ständige Interaktion von Bottom-up- und Top-down-Prozessen an, die dann in der bewussten Wahrnehmung eines Objektes resultieren (Frith & Dolan 1997). Die binokuläre Tiefeninversion wurde von daher verstanden als ein hypothesengenerierender Prozess über die Dreidimensionalität von Objekten durch Interpretation der Bottom-up-Signale von den Augen unter Benutzung von konzeptuellem Wissen (top-down) als auch allgemeinen Wahrnehmungsregeln wie etwa den Gestalt-Gesetzen der Organisation und Perspektive (Yellott 1981, Hill & Bruce 1993, Gregory 1998). Wissen oder Erfahrung wird demnach willentlich und unwillentlich aus dem Gedächtnis, lokalisiert im Bereich des Hippocampus (Gray & Rawlins 1986), erinnert und mit den Bottom-up-Signalen korreliert. Diesem Konzept gemäß resultiert die binokuläre Tiefeninversion aus einem Dominieren des top-down generierten Gegenstandswissens über die Bottom-up-Sinnesdaten. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass für Störungen der binokulären Tiefeninversion die Beeinträchtigung von Top-down-Prozessen verantwortlich ist (Emrich 1989, Schneider et al. 1996b).
Bei der experimentellen Anwendung des Paradigmas der binokulären Tiefeninversion wird vorab das stereoskopische Sehen mit dem TNO-Test (Lameris, Utrecht, Netherlands) getestet. Mit den Techniken der Stereoskopie ist es möglich, ausgeprägte Tiefeneindrücke von Bildern zu vermitteln, indem den Gesichtsfeldern jeden Auges die Objekte separat präsentiert werden (Wheatstone 1838). Um diesen Effekt zu erzeugen, wurde bei den von unserer Gruppe durchgeführten Versuchen folgende Technik benutzt: 12 verschiedene Bildersätze werden in zufälliger Reihenfolge auf einem Computerschirm präsentiert, um eine stereoskopische Sicht herzustellen. Das vor dem Computerschirm plazierte Spiegel-Stereoskop besteht aus vier halbversilberten trapezoiden Spiegeln mit zwei zentral rechts und links gelegenen Spiegeln (25 cm2) und zwei größeren seitlich rechts und links liegenden Spiegeln (160 cm2), wobei letztere sich durch die Versuchsperson um eine vertikale Achse schwenken lassen. Die Entfernung zwischen der Präsentationseinheit und dem Spiegelstereoskop beträgt 50 cm. Die seitlichen Spiegel reflektieren den korrespondierenden Teil des Stereoskopes auf die korrespondierenden zentral gelegenen Spiegel. Die Möglichkeit, die seitlichen Spiegel zu rotieren, erlaubt die Angleichung des Stereoskopes an die individuelle interokuläre Distanz durch die jeweiligen Versuchspersonen. Durch die vor dem Monitor in Stellung gebrachte Spiegelapparatur wird die Bildansicht des linken Auges (linkes Bild) zum linken Auge der Versuchsperson und die Bildansicht des rechten Auges zum rechten Auge gesandt. Das Resultat ist, dass die Versuchspersonen ein täuschend echt aussehendes dreidimensionales Objekt in der Mitte des Computerschirmes sehen. Diese räumlichen Wahrnehmungen dreidimensionaler Objekte werden während veränderter Bewusstseinszustände somit im Gehirn generiert, sind jedoch selbstverständlich illusorisch.
Stereoskopische Fotografien wurden von verschiedenen natürlichen Objekten mit einer Stereokamera aufgenommen: Blumen, andere gewöhnliche Objekte (Stuhl etc.) und Gesichter von Männern mittleren Alters. Alle Gesichter wurden als Frontalansichten aufgenommen. Die so gewonnenen Stimuli unterscheiden sich stark bezüglich ihres Grades von alltäglicher Bekanntheit (Hill & Bruce 1994). Es wurde nun eine Methode entwickelt, mit welcher sich in operationalisierter Form die Wahrnehmungen der Versuchspersonen quantifizieren lassen (vgl. Leweke et al. 1999). Der mit dieser Methodik bei Befragungen der vor der Apparatur sitzenden Versuchspersonen erhobene Score 1 bezieht sich auf Wahrnehmungen der präsentierten Objekten mit einem „geringeren alltagsbezogenen Grad von Bekanntheit“ (z.B. Plastikspielzeugmodelle, exotische Blumen) und der Score 2 auf Objekte mit einem höheren generellen Bekanntheitsgrad (Gesichter).
Die aufgenommenen stereoskopischen Bilder wurden zunächst gescannt und in einen Computer (Apple Power PC) implementiert. Die Tiefeninformation der meisten Bilder wurde durch einen Austausch des rechten und linken Bildes manipuliert. Aufgrund der geometrischen Abbildungsverhältnisse tritt durch Vertauschung der Informationen für das rechte und linke Auge auch eine Umkehr der räumlichen Tiefe des Objektes auf („pseudoskopische Ansicht“). Die so bearbeiteten Bilder werden für ein Maximum von 60 Sekunden auf einem Computer-Monitor mit hoher Auflösung präsentiert (Stimulusgröße 800 x 600 Pixel, 30,0 x 22,5; Farbtiefe 16 Bits).
Die Probanden werden dahingehend instruiert, dass die Tiefenwahrnehmung jedes Objektes variieren kann. Vor jedem invertierten Bild wird den Versuchspersonen ein identisches nicht-invertiertes Bild präsentiert. Bilder ohne binokuläre Tiefeninformation oder ohne ein korrespondierendes invertiertes Bild werden in zufälliger Reihenfolge als Stör-Stimuli präsentiert, um etwaigen „Systembildungen“ aufseiten der Versuchspersonen vorzubeugen. Um den jeweiligen Tiefeneindruck in operationalisierter Weise erheben zu können, wurde eine operationalisierte Beschreibung der Tiefeneindrücke entwickelt. Die Probanden berichten ihre Tiefeneindrücke im Rahmen einer Abfrage per vorgegebenen Fragen durch den Versuchsleiter mittels einer fünfstufigen Beurteilungsskala sowohl von dem Gesamtobjekt (z.B. Gesichter als: sehr konkav – konkav – flach – konvex – sehr konvex) als auch spezifischen Teilaspekten des Objektes (z. B. Wangen: stark nach innen gewölbt – nach innen gewölbt – flach – nach außen gewölbt – stark nach außen gewölbt).
Bei experimentellen Untersuchungen mit dem vorbeschriebenen Paradigma konnte mit recht großer Konsistenz eine spezifische Aberration der Wahrnehmung unter diversen propsychotisch wirkenden Versuchsbedingungen (Alkoholentzugssyndrom, Schlafentzug, THC-Intoxikation u.a.; Schneider et al. 1996a, Sternemann et al. 1997, Leweke et al. 1999) bzw. bei schizophrenen Psychotikern (Schneider et al. 2002) gefunden werden. Die Aberration macht sich als ein Entfall des Überwiegens der Top-down- Prozesse innerhalb der Wahrnehmungsgenerierung gemäß der oben beschriebenen Hypothese bemerkbar. Das heißt, dass Probanden unter propsychotischen Versuchbedingungen bzw. Patienten mit akuten schizophreniformen Psychosen eine bedeutend höhere Frequenz an „realistischen“ Wahrnehmungen von tiefeninvertierten Wahrnehmungsgegenständen zeigen. Bei der Erklärung dieses Phänomens wird davon ausgegangen, dass unter (pro-)psychotischen Bedingungen die Plausibilitätskontrolle als Produkt der Abgleichung von Bottom-up-Sinnesdaten und der Konzeptualisierungskomponente des top-down nicht mehr regelrecht arbeitet und es somit nicht mehr zur (illusionären) Wahrnehmung der Illusion einer konvexen Maske kommt.
Abb. 22: Das Instrumentarium zur experimentellen Messung der binokulären Tiefeninversion. Oben links: Gesamte Apparatur mit Monitor und Spiegelapparatur. Oben rechts: Blick in die Spiegelapparatur von der Stuhlseite her. Unten links: Die Spiegelapparatur von der Monitorseite aus gesehen. Unten rechts: Ein typisches Bildpaar, wie es auf dem Monitor präsentiert wird. Mithilfe der Spiegelapparatur werden die beiden Bilder im Gesichtsfeld übereinandergebracht, so dass ein ausgeprägter Tiefeneindruck entsteht.
