Titelthema - Die Welt in 3D: Erst das Hirn schafft den Raum - wissenschaft.de
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Titelthema – Die Welt in 3D: Erst das Hirn schafft den Raum

Warum und wie wir räumlich sehen. Daß wir die Entfernung in der Landschaft schätzen können, erscheint uns selbstverständlich. Doch das Gehirn muß eine Menge leisten, um den flächigen Abbildungen auf den Netzhäuten unserer Augen Tiefe zu verleihen.

Das Experiment ist einfach und dabei immer wieder verblüffend: Schließen Sie ein Auge und versuchen Sie, einen Faden durch ein Nadelöhr zu ziehen – es wird Ihnen kaum gelingen, auch wenn Sie das mit zwei offenen Augen spielend schaffen. Ähnlichen Frust erlebt der Unfallpatient mit Augenklappe, der mit ausgestrecktem Arm versucht, in eine Tasse auf dem Tisch Tee einzugießen, und dabei ein kleines Fußbad anrichtet.

Zwar liefert die Linse unseres Auges das Bild einer dreidimensionalen Welt – allerdings nur in zwei Dimensionen. Dennoch besitzen wir umfassende und erstaunlich präzise Informationen über die Tiefe des Raumes. Wesentliche Anhaltspunkte verdanken wir der Tatsache, daß wir beidäugig (binokular) sehen. Beim Menschen beträgt der durchschnittliche Pupillenabstand rund sechs Zentimeter. Im Nahbereich wird deshalb eine Blüte auf der linken Netzhaut an einer etwas anderen Stelle abgebildet als auf der rechten – jedes Auge beobachtet sie aus einem leicht unterschiedlichen Blickwinkel. Diese Disparität (Ungleichheit) kann man sehr deutlich erkennen, wenn man den Daumen der ausgestreckten Hand abwechselnd mit dem linken und mit dem rechten Auge betrachtet: Er scheint dann vor dem Hintergrund hin und her zu springen. Der Unterschied ist um so größer, je weiter zwei Objekte in der Tiefe voneinander entfernt sind. Die Disparität gibt also Auskunft über Entfernungsunterschiede und damit über die räumliche Tiefe bei zwei oder mehreren Punkten. Rufen disparate Bilder einen Eindruck von Tiefe hervor, so sprechen die Fachleute von Stereopsis.

Fixieren wir die Tasse auf dem Tisch, dann laufen die Sehachsen unserer Augen in einem Winkel aufeinander zu. Je geringer der Abstand der Tasse, um so größer der Winkel. Hat unser Gehirn erst einmal die Bild-Verschiebung auf der Retina sowie die Konvergenz unserer Augen festgestellt, so ist der Rest nur noch eine Sache der Verrechnung: Nach dem Prinzip der trigonometrischen Landvermessung kann unser Wahrnehmungssystem jetzt mit Hilfe der Triangulation den absoluten Abstand der Teetasse ermitteln.

Allerdings ist knapp ein Zehntel der Bevölkerung überhaupt nicht in der Lage, stereoskopisch zu sehen – was sich manchmal erst beim Augentest für den Führerschein herausstellt. Andere Menschen müssen mit nur einem sehenden Auge zurechtkommen. Trotzdem sind auch Angehörige dieser beiden Gruppen fähig, räumlich zu sehen.

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Das stereoskopische Sehen spielt nämlich nur im Nahbereich eine wichtige Rolle. Jenseits von etwa 200 Meter Entfernung hat es praktisch keine Bedeutung mehr. „Wir denken landläufig, das beidäugige Sehen sei extrem wichtig dafür, daß wir den Raum auch in der Tiefe wahrnehmen. Das ist aber sicher übertrieben“, erklärt Prof. Heinrich Bülthoff vom Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik in Tübingen. „Schließen Sie ein Auge, oder decken Sie es ab, und die Welt sieht für Sie immer noch fast genauso aus, wie Sie sie zuvor gesehen haben. Sie haben höchstens etwas größere Schwierigkeiten, Ihren Tee in die Tasse zu gießen, ohne etwas danebenzuschütten, oder eine Treppe hinunterzusteigen.“

Neben dem binokularen Sehen gibt es weitere wichtige Tiefenhinweise. Zu ihnen gehört die sogenannte Bewegungsparallaxe: Verändert der Beobachter seinen Standort, etwa bei einer Auto- oder Bahnfahrt, so ändert sich auch der Winkel, unter dem er zwei unterschiedlich weit entfernte Objekte sieht – beispielsweise den Leitungsmast am Straßenrand und den viel weiter entfernten Kirchturm. Je näher ein Gegenstand dem sich bewegenden Beobachter ist, um so stärker muß er seine Blickrichtung ändern, um ihn im Auge zu behalten. Die Parallaxenverschiebung zwischen zwei Objekten wird dabei zum wichtigen Hinweis auf räumliche Tiefe.

Maler wissen schon seit Jahrhunderten, wie sie in ihren zweidimensionalen Bildern den Eindruck von Tiefe erzeugen können. Dazu greifen sie auf Tricks zurück, die man spätestens seit der Renaissance bewußt verwendet. Einer davon ist die Schattierung. „Die alten Meister haben sie in ihren wunderbaren Gemälden von Gewändern benutzt, um uns in der Zweidimensionalität des Bildes die Illusion der Tiefe vorzugaukeln“, schwärmt Prof. Bülthoff. Auch die im Barock besonders beliebte Architekturmalerei beruht auf der raffinierten Darstellung von Schatten: Gemalte Säulen und Stuck-Verzierungen wirken oft derart plastisch, daß sie uns täuschend echt räumliche Strukturen vor Augen führen, wo doch nur Farbe und Pinsel am Werk waren.

Anhaltspunkte für Tiefe erhalten wir auch, wenn sich Bildelemente überschneiden oder verdecken: Eine Figur, die eine andere teilweise verdeckt, muß uns einfach näher sein. Tauchen in unserem Blickfeld Gegenstände bekannter Größe auf, so können wir sehr genau auf ihre Entfernung schließen, selbst wenn wir sie nur mit einem Auge betrachten.

Ganz offenkundig betreibt die Natur einen erheblichen Aufwand, damit wir uns in der Tiefe des Raumes orientieren können. Welchen Nutzen haben wir von dieser Fähigkeit, und warum hat die Evolution ihre Entwicklung so offensichtlich begünstigt?

Das binokulare Sehen erleichtert vor allem die Erschließung des „Greifraums“: Wir können einen Ball fangen und auf einem Baum herumklettern, ohne den nächsten Ast zu verfehlen und abzustürzen.

Allerdings war für unsere jagenden und sammelnden Vorfahren ein anderer Vorteil ungleich wichtiger, betont Bülthoff: Mit Hilfe der Stereopsis konnten sie eine Figur optisch von ihrem Hintergrund trennen. Das klingt recht abstrakt, hatte jedoch ganz praktische Bedeutung.

Viele Tiere sind in ihrem heimischen Umfeld hervorragend getarnt. Nur mit Mühe erkennen wir zum Beispiel ein unbeweglich am Waldrand stehendes Reh. Beidäugiges Sehen erlaubt es jedoch, die Elemente dieser Figur aus ihrem Hintergrund zu lösen – und sie als mögliche Beute zu identifizieren. Das gelingt zwar auch, wenn wir den Standort wechseln: Die Bewegungsparallaxe liefert gleichfalls Hinweise auf die Position der Objekte im Raum. Doch wer sich bewegt, verrät sich und schlägt so unter Umständen seine Beute in die Flucht oder macht einen Feind auf sich aufmerksam.

Stereoskopisches Sehen erlaubt dagegen die Trennung von Figur und Hintergrund, ohne daß wir uns von der Stelle rühren müssen. Bei den meisten Säugetieren funktioniert beidäugiges Sehen ähnlich wie beim Menschen. Wie aber liegen die Dinge bei Fischen oder Vögeln, deren Augen doch in nahezu entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet sind?

„Viele von ihnen verfügen ebenfalls über einen binokularen Überlappungsbereich, in dem dann auch beidäugiges Sehen möglich ist“, erklärt Bülthoff. Während das menschliche Auge nur eine Netzhautvertiefung (Fovea) besitzt, ist beispielsweise das Falken-Auge mit zwei solchen Bereichen schärfsten Sehens ausgestattet. Die eine Fovea befindet sich, wie beim Menschen, auf der optischen Sehachse. Die andere ist am Rande des Auges so in Flugrichtung plaziert, daß sich die betreffenden Blickfelder beider Augen überlappen. Auf diese Weise können die Vögel Tiefe und Entfernung ermitteln.

Ob räumliches Sehen beim Menschen angeboren oder erlernt ist, darüber gab es jahrzehntelang heftigen Streit zwischen Nativisten – sie hielten die Stereopsis für angeboren – und Empiristen, die Lernvorgänge für die Entwicklung dieser Fähigkeit verantwortlich machen.

„Neugeborene können noch nicht stereoskopisch sehen“, betont Bülthoff. „In sogenannten Babylabors hat man herausgefunden, daß es drei bis sechs Monate dauert, bis diese Fähigkeit entwickelt ist. Die Tiefenwahrnehmung durch beidäugiges Sehen muß also erlernt werden.“

Andererseits gibt es offenbar eine angeborene Tiefenwahrnehmung, wie der berühmte Versuch von Eleanor Gibson und Richard Walk zeigt: Kommen Babys, die über eine Glasplatte krabbeln, an eine aufgemalte Stufe, so halten sie dort an, weil sie diese Simulation als reale Tiefe ansehen.

Es sieht demnach so aus, als „wüßten“ wir von Geburt an, daß die Welt dreidimensional ist. Doch erst die Verbindung von angeborenen Faktoren mit späteren Erfahrungen macht es möglich, daß wir uns sicher in der Tiefe des Raumes zurechtfinden.

Hans W. Wolf

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