Einblick in ein psychophysikalisches Rätsel - wissenschaft.de
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Gesellschaft+Psychologie

Einblick in ein psychophysikalisches Rätsel

Die Zeit ist der Schlüssel zur Erklärung des Weberschen Gesetzes. (Bild: Diogo Matias, Champalimaud-Stiftung)

Welcher Stein ist schwerer, welcher Ton lauter oder welche Lichtquelle heller? Wie verarbeitet unser Gehirn sensorische Eindrücke von physikalischen Unterschieden? Mit dieser Frage beschäftigt sich die sogenannte Psychophysik. Auf diesem Gebiet ist Neurowissenschaftlern nun eine interessante Entdeckung geglückt. Sie haben einen Faktor aufgedeckt, der beim sogenannten Weberschen Gesetz eine Rolle spielt. Demnach ist offenbar die Zeit Teil der Berechnung, die das Gehirn zur Einschätzung von Unterschieden zwischen zwei sensorischen Eindrücken durchführt.

Materie, Schwingungen, Kräfte und ihre Veränderungen – wir nehmen die physikalische Welt um uns herum durch unsere Sinne wahr. Sie liefern unserem Gehirn Informationen, die es in Darstellungen und Beurteilungen unserer Umwelt umsetzt. Die Wissenschaftsdisziplin der Psychophysik beschäftigt sich in diesem Zusammenhang mit den Gesetzmäßigkeiten zwischen dem subjektiven Erleben und dem physikalisch messbaren – den objektiven Reizen, die sie auslösen.

Als Gründervater der Psychophysik gilt der deutsche Arzt Ernst Heinrich Weber (1795 bis 1878). Im Rahmen seiner Studien bat er Probanden um Einschätzungen, welches von zwei leicht unterschiedlichen Gewichten schwerer war. Dabei entdeckte er, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein Proband die richtige Wahl trifft, nur vom Verhältnis zwischen den Gewichten abhängt. Wenn ein Proband zum Beispiel mit 75 prozentiger Wahrscheinlichkeit richtig liegt, wenn er ein Gewicht von einem Kilogramm und eines von 1,1 kg unterscheiden soll, wird er auch beim Vergleich von zwei Gewichten mit zwei und 2,2 Kilogramm richtig entscheiden. Diese Regel gilt stets bei Paaren von Gewichten, bei denen eines zehn Prozent schwerer ist als das andere, stellte Weber fest. Diese einfache, aber präzise Regel öffnete die Tür zur Quantifizierung des menschlichen Einschätzungsverhaltens anhand mathematischer Gesetze.

Physikalische Zusammenhänge im Spiegel des Verstandes

Die Beobachtung wurde seitdem bei allen sensorischen Fähigkeiten und bei vielen Tierarten bestätigt, was zur Bezeichnung Webersches Gesetz geführt hat. Es ist das älteste Gesetz in der Psychophysik. Diese Regeln bilden gleichsam ein wissenschaftliches Fundament für schwer fassbare Zusammenhänge, denn sie bieten mathematische Erklärungen für die Reizverarbeitung unseres Gehirns.

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Beim Weberschen Gesetz blieb bisher allerdings ein Aspekt unklar: Auf welche Weise rechnet das Gehirn beim Erfassen von Unterschieden den Faktor der Gesamtstärke des Sinneseindrucks heraus. Konkret: Wie geht es im Fall des Vergleichs von einem Kilogramm mit 1,1 Kilogramm mit der Erhöhung um ein Kilogramm beim Vergleich von zwei und 2,2 Kilogramm um? Die Forscher um José Pardo-Vazquez vom Champalimaud Centre for the Unknown in Lissabon haben nun herausgefunden, dass das Webersche Gesetz an eine weitere psychophysikalische Regel geknüpft ist, die die Zeit betrifft, die erforderlich ist, um eine Entscheidung zu treffen.

Im Rahmen ihrer Studie untersuchten die Wissenschaftler das Webersche Gesetz statt anhand von Gewichten über die Fähigkeit von Ratten, zwischen Tönen verschiedener Lautstärke zu unterscheiden. Sie konstruierten dazu winzige Kopfhörer, die speziell an den Kopf der Tiere angepasst waren. Bei jedem Versuch war der Ton auf einem der beiden Lautsprecher etwas lauter. Die Ratte war darauf trainiert, sich auf die Seite hin auszurichten, auf der der Lautsprecher den lauteren Ton wiedergab.

„Unsere Versuche haben zunächst bestätigt, dass das Verhalten der Tiere beim Hören dem Weberschen Gesetz entspricht“, sagt Pardo-Vazquez: „Ihre Fähigkeit zu bestimmen, welcher der beiden Töne lauter war, hing nur vom Verhältnis zwischen den Intensitäten der Töne ab. Wenn die Ratte die Intensitäten von zwei leise gespielten Tönen vergleichen musste, war ihre Genauigkeit genauso gut wie bei einem Paar Töne, die lauter gespielt wurden, solange beide Paare nur das gleiche Intensitätsverhältnis aufwiesen“, erklärt der Wissenschaftler.

Zeit ist der Schlüssel

Anschließend richtete das Team seine Aufmerksamkeit auf die Zeit, die die Tiere für ihre jeweilige Entscheidung benötigten. Dabei zeichnete sich ab: Die Entscheidungszeiten sind mit dem Niveau der Lautstärke der beiden Klänge proportional verknüpft. Konkret: Je lauter die beiden Klänge waren, desto kürzer war die Entscheidungszeit, solange die relativen Lautstärken zwischen beiden Tönen konstant blieben. Die Gesetzmäßigkeit ist dabei so klar, dass sie sich mathematisch beschreiben lässt, sagen die Forscher. Beispielsweise war die Entscheidungszeit beim Vergleich zwischen zwei leisen Geräuschen genau proportional zu den Entscheidungszeiten, die gemessen wurden, als die Tiere zwischen zwei lauten Geräuschen unterscheiden sollten. „Die Genauigkeit dieser Beziehung zwischen den Entscheidungszeiten in unseren Experimenten ist erstaunlich“, sagt Pardo-Vazquez. „Es ist ungewöhnlich, dass das Verhalten von Tieren mit einer solchen mathematischen Genauigkeit beschrieben werden kann“.

Um ihre Ergebnisse zu untermauern, führten die Forscher anschließend die gleichen Experimente mit menschlichen Probanden durch. Wie sie berichten, zeigten sich dabei ähnliche Ergebnisse. Außerdem ging aus weiteren Versuchen mit Ratten hervor: Auch bei der Unterscheidung der Intensität von zwei Gerüchen wird das Grundniveau offenbar in Verbindung mit der Zeit erfasst. Die Wissenschaftler schließen aus ihren Ergebnissen, dass es sich somit tatsächlich um ein neues psychophysisches Gesetz handelt, das sie als „Zeit-Intensitäts-Äquivalenz bei der Diskriminierung“ bezeichnen.

„Es ist noch zu früh zu sagen, ob die neue Gesetzmäßigkeit so allgemein gilt wie das Webersche Gesetz, aber die Tatsache, dass wir bei zwei Arten und bei zwei sensorischen Systemen die gleichen Ergebnisse erzielt haben, ist ein deutlicher Hinweis dafür“, sagt Pardo-Vazquez. Als nächstens wollen die Forscher nun Einblicke gewinnen, wie das Gehirn die Informationen umsetzt: „Wir möchten bestimmen, welche Gehirnbereiche für diese Aufgabe verantwortlich sind und wie Neuronen in diesen Schaltkreisen mit den verschiedenen Rechenelementen umgehen“, sagt Seniorautor Alfonso Renar abschließend.

Quelle: Champalimaud Centre for the Unknown, Nature Neuroscience, doi: 10.1038/s41593-019-0439-7

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