Erforschung des Orientierungssinns: Verloren im virtuellen Labyrinth

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Haben wir alle eine Landkarte im Hirn, mit deren Hilfe wir uns orientieren? Mit einem spektakulären Gerät wollen deutsche Forscher eine Antwort auf diese Frage finden. Ein Selbstversuch.

dpa

Irgendwas muss heute früh in meinem Kaffee gewesen sein. Hochprozentig wahrscheinlich. Jedenfalls torkele ich mit beeindruckender Schlagseite durch den langen Gang mit dem Holzfußboden. Immer wieder schramme ich haarscharf an der bordeauxroten Tapete vorbei. Mittlerweile schwitze ich leicht, außerdem ist mir etwas übel. Auch der Blick nach oben, auf den offenen Himmel, bringt keine Linderung.

Vermutlich hat mein dezentes Unwohlsein aber weniger mit alkoholischen Getränken als mit der ungewohnten Umgebung zu tun: Den langen, kreisförmigen Gang mit seinen regelmäßig abzweigenden Querverbindungen gibt es nämlich gar nicht. Eine Spezialbrille gaukelt ihn meinen Augen nur vor. Auch der Himmel mit den weißen Wölkchen existiert nur im Computer.

In Wahrheit tapse ich durch das Innere einer großen, fragil wirkenden Kunststoffkugel. Mit leisem Rumpeln dreht sich die transparente Struktur auf mehreren Dutzend Rollen unter meinen Füßen weg. Der Versuchsaufbau steht in einem hellen Neubau am Stadtrand von Bremen - und erinnert an das perfekte Hamsterrad: Obwohl ich mich ständig vorwärtsbewege, abbiege und später zurücklaufe, komme ich in der realen Welt keinen Zentimeter voran.

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Raumkognition: Forschung im Hamsterrad
"Sie bewegen sich gerade durch eine physikalisch unmögliche Welt", sagt Kerstin Schill. "Eigentlich müssten sich die Quergänge in der Mitte auf einer Ebene kreuzen, das tun sie aber nicht." Die Neuroinformatikerin hat die mehr als 200.000 Euro teure Kugel gekauft, unterstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Virtusphere heißt der Kunststoffball, in dem ich gerade laufe. Er stammt von russischen Erfindern, die ihn seit einiger Zeit über eine US-Firma vermarkten.

Mit dem spektakulären Gerät wollen die Bremer Forscher herausfinden, wie die räumliche Orientierung im Gehirn organisiert ist. Dazu testen sie auch, wie Menschen in paradoxen Situationen reagieren. Die Erkenntnisse des Sonderforschungsbereichs Raumkognition in Bremen und Freiburg sollen bei der Entwicklung von Assistenzsystemen für ältere Menschen helfen. Ziel ist es, dass Roboter die Welt möglichst so wahrnehmen wie wir - und die Senioren dann vor drohenden Gefahren warnen.

Das funktioniert nach Ansicht der Forscher am besten, wenn sich die Aufpassmaschinen selbständig in der Wohnung orientieren können. So können sie einfacher Entscheidungen treffen. Wenn ein Roboter zum Beispiel weiß, dass sowohl er als auch sein menschlicher Schützling im Wohnzimmer stehen, dann braucht er sich keine Gedanken darüber machen, ob das Wasser in der Dusche zu heiß sein könnte.

Auf der Jagd nach der kognitiven Karte

Bisher glaubten viele Kognitionsforscher, dass jeder Mensch über eine Art Landkarte im Hirn verfügt. Wie auf einem Stadtplan soll darauf alles mehr oder weniger korrekt eingezeichnet sein: Wegstrecken, Entfernungen, Winkel. "Cognitive map", kognitive Karte, nennen Wissenschaftler dieses Konzept. Doch Kerstin Schill und einige ihrer Kollegen zweifeln diese These an. Angesichts meiner Probleme beim Lesen von Landkarten erscheint mir das durchaus plausibel.

Mit ihren Versuchen will die Forscherin beweisen, dass es die Karte im Kopf so gar nicht gibt - und dass wir sie bestenfalls im Nachhinein konstruieren: "Unsere Idee ist, dass die Aktionen, die wir im Raum durchführen, sowie die sensorischen Erfahrungen sehr wichtig sind", sagt Schill. Wie fühlt sich beim Laufen der Boden unter den Füßen an? Welche Geräusche höre ich auf meinem Weg? Und welche Gerüche kitzeln meine Nase? Wichtige Informationen für das Gehirn.

Deswegen lassen die Forscher in Bremen ihre Probanden im Inneren der Kugel laufen: Dabei sollen sie beim Wandern durch virtuelle Welten möglichst viele sensorische Eindrücke bekommen - ohne dass sie an reale Begrenzungen des Raumes anstoßen. Und tatsächlich: Schon nach kurzer Zeit des Laufens in der Kugel fühlt sich das Ganze für mich recht normal an. Ich vergesse fast, dass ich immer an der selben Stelle bleibe. Das Laufgefühl stimmt, die Augen bekommen ein plausibles Bild vorgesetzt. Bald wollen die Forscher über Kopfhörer auch Geräusche einspielen.

Das menschliche Gehirn ist Meister der Orientierung: Auch wenn sie nicht recht wissen, wo sie sind, können Menschen durch unbekanntes Terrain navigieren. Dazu entwickeln sie Strategien, um irgendwie zum Ziel zu kommen. Wenn wir unsere Schritte weder an weithin sichtbaren Orientierungspunkten ausrichten können, noch eine präzise Wegbeschreibung erhalten haben, dann summiert unser Gehirn die zurückgelegten Wegstrecken so gut wie möglich auf. Wegintegration heißt das im Forschersprech.

Doch zum Aufsummieren des Weges muss man die absolvierte Distanz erst einmal wahrnehmen - und je mehr Sinne dabei beteiligt sind, desto besser. Ohne Orientierungshilfe stapfen wir in der realen Welt schon nach kurzer Zeit im Kreis herum, wie Forscher vom Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik in Tübingen gezeigt haben. Dort laufen nämlich ebenfalls Forschungsarbeiten zur Orientierung und ihrer Verdrahtung in unseren Köpfen. Neben Freilandexperimenten setzen die Forscher im Süden auf eine Kombination aus zusammenschalteten Laufbändern, um ihre Versuchsteilnehmer in virtuellen Welten möglichst frei navigieren zu lassen.

Physikalische Unmöglichkeiten fallen Probanden nicht auf

Die Probanden in der Plastikkugel von Bremen müssen, nachdem sie sich eine Weile in der Scheinwelt umgesehen haben, bestimmte Aufgaben lösen. So werden sie zum Beispiel an einem bestimmten Ort ausgesetzt und müssen von dort aus den kürzesten Weg zu einer bestimmten Stelle gehen, zum Beispiel zu einem Bild. Dabei wird ein Teil der Freiwilligen mit bizarren Situationen konfrontiert, wie es sie in der Realität gar nicht gibt. Das sind zum Beispiel Gänge, die sich eigentlich kreuzen müssten, aber das nicht tun.

Erste Versuche scheinen Schills These von der Nicht-Existenz der Landkarte im Hirn zu bestätigen: "In unmöglichen physikalischen Welten können Probanden Aufgaben genauso gut lösen wie in normalen Welten." Inkonsistenzen - wie die mit den Gängen - seien den meisten gar nicht aufgefallen. Mir auch nicht, offenbar bin ich ein ganz gewöhnlicher Proband.

"Wenn die Leute gleich gut abschneiden, obwohl sie keine Landkarte der Welt zeichnen können, dann muss die Repräsentation im Gehirn anders ablaufen", folgert Schill. Wie, das müssen die Forscher noch weiter ergründen. Hanspeter Mallot von der Universität Tübingen hat zum Beispiel das Prinzip eines U-Bahn-Plans vorgeschlagen. Da werden bestimmte, bekannte Punkte durch Aktionen und dadurch entstehende Sinneseindrücke verbunden. Präzise Angaben zu Entfernungen und Winkeln sind nicht nötig. Außerdem lassen sich ohne Probleme neue Routen hinzufügen.

Nach einiger Zeit im Inneren der Kugel laufe ich übrigens deutlich sicherer - auch wenn es sich noch immer anfühlt, als bebe die Erde bei jedem Schritt ganz leicht. Stolz kann ich auf meine Leistung leider trotzdem nicht so recht sein. "Mein Sohn Alexander hat zehn Minuten gebraucht, dann ist er in der Kugel herumgerannt", sagt Forscherin Schill. Alexander ist elf Jahre alt.

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1. ☮
de.nada 24.01.2011
Zitat von sysopHaben wir alle eine Landkarte im Hirn, mit deren Hilfe wir uns orientieren? Mit einem spektakulären Gerät wollen deutsche Forscher eine Antwort auf diese Frage finden. Ein*Selbstversuch. http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/0,1518,739416,00.html
Das mit dem Weg, der da nicht ist, eine physikalische Unmöglichkeit, quasi im Rechner simuliert werden kann, ist doch wohl etwas fragwürdig ? Es gibt eben keine Simulation dieses erst mal genannten Weges. Das ist schlicht unrichtig, oder gemeinhin gelogen. ;) Außerdem müßte es schon genau heißen, daß sich der Innenraum der vom Ringweg umschlossen ist an zwei verschieden Stellen im Durchmesser geradlinig begehen lässt. Und selbst dann wären Zwei Wege die nebeneinander parallel knapp neben der Mitte verlaufen, auch kein Grund, sich in einer "physikalisch unmöglichen" Umgebung zu befinden. Also ob so ⴲ oder so ◵ und so ◴ angelegte Wege, sind das doch keine physikalischen Unmöglichkeiten. Physikalisch unmöglich ist bis dato Kork künstliche herzustellen, oder, das zB. auf einem Ergometer sitzend die gesehene Landschaft keine Fahrgeschwindigkeit simuliert, der Boden schwankt und man trotzdem ruhig auf dem simulierten Zweirad sitzt. Das ist physikalisch unmöglich, oder das zB. eine Turnerin oder Turner einen Flickflack (http://de.wikipedia.org/wiki/Flickflack) oder Überschlag von einem Balken startet und dann in der Luft schwebend, oder auf Wassser stehend, beendet.
2. Oh je...
quams 24.01.2011
Zitat von de.nadaDas mit dem Weg, der da nicht ist, eine physikalische Unmöglichkeit, quasi im Rechner simuliert werden kann, ist doch wohl etwas fragwürdig ? Es gibt eben keine Simulation dieses erst mal genannten Weges. Das ist schlicht unrichtig, oder gemeinhin gelogen. ;) (...)
Der Begriff "physikalisch Unmöglich" ist von den Bremern mit Sicherheit etwas hart formuliert. Andererseits ist das angesprochene Szenario in Realität (also mit Ziegelsteinen und etc.) nur sehr *hust* schwer zu erstellen. Mir drängt sich das Gefühl auf, Sie haben das nicht ganz verstanden. In der Ebene kreuzen sich da zwei Korridore. Der Rechner zeigt diese Kreuzung aber nicht, sondern nur zwei gerade nicht unterbrochene Korridore. Geht eigentlich nicht (lassen wir mal ein paar äusserst selten auftretende Effekte wie tunneln außen vor). Was sie zeigen wollen, ist dass der Mensch nicht mit metrisch präzisen Karten arbeitet. Zumindest die meisten Menschen nicht. Das ist ziemlich interessante und weitreichende Forschung. Abgesehen davon, dass man das Ding auch für eine ganze Menge anderer Sachen nutzen kann und wird.
3. Eine Frau...
Kamillo 24.01.2011
... erforscht dieses "Problem". Dabei müsste sie doch ganz genau wissen, dass das Weltbild von Frauen durch "Landmarken" bestimmt wird. Wie kommt man zum Einkaufszentrum? Vorne am Schuhgeschäft rechts, am Café mit dem besonders tollen Cappucino und dem Gigolo-Kellner, kurz winken, vorbei und dann an der italienischen Boutique links. Wie kommt man zu Sehenswürdigkeit xy? Gibts da einen Handtaschenladen daneben, dann kennt sie den Weg. Ich bin der Meinung, dass ich schon eine recht detaillierte Karte im Kopf habe, die aus Wegen, Straßen und Co besteht, auch basierend auf den Blick den gedruckten Atlas oder Straßenkarte im Internet. Je größer die Entfernung, um so weniger kleine Straßen umfasst diese "Karte", genau wie die gedruckten Karten in verschiedenen Maßstäben, im Zielgebiet oder bei Staus unterwegs wird diese Karte in der näheren Umgebung immer feiner, um z.B. Abkürzungen, Schleichwege usw. zu finden. Natürlich gibts auch da "Landmarken", die sind aber nur zur Überprüfung, doppelt gemoppelt ist eben besser. Das ist ein gewisses Training und ein fotografisches Gedächtnis, mein Navi nutze ich nur aus Bequemlichkeit wenn ich wo noch nicht war. Wenn ich schonmal wo war, dann finde ich immer wieder dorthin zurück, egal aus welcher Richtung, mir reichen da eine grobe Richtung und gut zu findende Orte in der Nähe als nächster Zielpunkt und im Äußersten ein Blick auf eine Karte und dann kanns los gehen. Außerdem orientiere ich mich an Straßenschildern, soweit es die gibt, in Asien gibts die oft nicht, es funktioniert aber trotzdem. Mir wird deshalb nachgesagt, ich hätte einen Kompass in der Nase. Letztes Jahr in Paris war das sehr nützlich, da gabs einen Metro-Streik und da haben wir eben die Besichtigung mit dem Auto gemacht. Oben von Le Bourget kommend, die Karte kurz angeschaut, wo die Zielpunkte sind, Richtung gepeilt, und dann gings los, die wichtigsten Stationen waren: Montmartre, Opera, Louvre, Bastille, Luxembourg, Eifelturm, Concorde, Arc de Triomphe (natürlich von Concorde ganz einfach), weiter raus nach La Defense (auch einfach zu finden) und dann Versailles. Reine Fahrtzeit weniger als 2 Stunden. Alles ohne nochmal in die Karte zu schauen, und ohne dass ich da wohne und mich sowieso auskenne. Und vorletztes Jahr habe ich meine Schwiegereltern durch Jakarta gelotst, weil unser einheimischer Fahrer den Überblick verloren hatte... kiri, kanan, terus, rechts, links, geradeaus... Wir haben von Nord nach Süd nur 30 Minuten gebraucht, was sehr schnell für diese Stadt ist.
4. in der Tat nicht unmöglich
Paul Panda 24.01.2011
Zitat von de.nadaDas mit dem Weg, der da nicht ist, eine physikalische Unmöglichkeit, quasi im Rechner simuliert werden kann, ist doch wohl etwas fragwürdig ?
Nein: physikalisch unmöglich ist das in der Tat nicht. Ich stelle mir das wie folgt vor: Die Wege kreuzen sich rechtwinklig. Geht man den einen Weg, so wird, wenn man an der Kreuzung angelangt ist, der nach recht und links abbiegende, andere Weg (Gang) vom Rechner im Bild einfach nicht optisch dargestellt. Entsprechend ist es beim anderen Weg. Das Problem könnte wohl bereits jeder programmierende Jugendliche lösen, der sich mit Labyrinthen beschäftigt. Dies könnte man sogar in der realen Welt verwirklichen, wenn man durch geschickt getarnte Schiebetüren den Blick in die rechts und links abbiegenden Gänge zum richtigen Zeitpunkt verbergen würde. Es gibt übriegns einen schönen Film mit bekannten Schauspielern zu diesem Thema, in welchem sich Europas Meisterdetektive auf einem einsamen Schloss treffen und durch den unbekannten Gastgeber in allerlei verwirrende Situationen gebracht werden. Dort gibt es unter anderem auch ein Zimmer, das sich in ein anderes Zimmer vewandelt, wenn man es verlässt und wieder betritt (der Name des Films ist mir leider entfallen). Das wäre in der Praxis allerdings nicht so einfach realisierbar - im Computer jedoch schon. Dann gibt es noch einen interessanten Science Fiction Roman von Heinlein: "Das 3-D-Haus". Dies wäre eine interessante Aufgabe für die im Artikel beschriebene Simulationstechnik. Das Ergebnis wäre dann wirklich irreal.
5. wahnsinn
Belsatzar 24.01.2011
Zitat von KamilloEine Frau erforscht dieses "Problem". Dabei müsste sie doch ganz genau wissen, dass das Weltbild von Frauen durch "Landmarken" bestimmt wird. Wie kommt man zum Einkaufszentrum? Vorne am Schuhgeschäft rechts, am Café mit dem besonders tollen Cappucino und dem Gigolo-Kellner, kurz winken, vorbei und dann an der italienischen Boutique links. Wie kommt man zu Sehenswürdigkeit xy? Gibts da einen Handtaschenladen daneben, dann kennt sie den Weg.
was für ein sexistisches, idiotisches stereotypengewäsch. geh doch zurück in die 80er.
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Gehirn: Steuerzentrale des Körpers
Als Gehirn bezeichnet man den im Kopf gelegenen Abschnitt des Nervensystems, der die zentrale Steuerungszentrale des Körpers bildet. Bei höher entwickelten Tieren bildet das Gehirn zusammen mit dem Rückenmark das Zentralnervensystem. In ihm sind die Sinneszentren und übergeordnete Schaltzentren (Koordinations- und Assoziationszentren) zusammengefasst. Es ist für die Ausbildung komplizierter Handlungsabläufe, für die Fähigkeit des Gedächtnisses und für die Ausprägung von Denken, Gefühlen, Bewusstsein und Intelligenz verantwortlich.
Gehirnteile: Vorderhirn, Mittelhirn, Rautenhirn
Das menschliche Gehirn und auch das Gehirn vieler Tiere ist in drei Hauptteile gegliedert: Vorderhirn, Mittelhirn und Rautenhirn. Schon bei niederen Wirbeltieren entstehen aus dem Vorderhirn (Prosencephalon) das der Nase zugeordnete Endhirn (Großhirn) und das den Augen zugeordnete Zwischenhirn. Das Mittelhirn (Mesencephalon) bleibt ungegliedert erhalten. Das Rautenhirn (Rhombencephalon) gliedert sich weiter auf in das Hinterhirn mit dem Kleinhirn und der Brücke sowie in das verlängerte Mark, das den Übergang zum Rückenmark bildet. Mit zunehmender Höherentwicklung vergrößern sich die Teile und differenzieren sich weiter.
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Die äußere Schicht des Großhirns wird als Großhirnrinde (Cortex cerebri, kurz Cortex) bezeichnet. Sie ist nur etwa zwei bis fünf Millimeter dick und enthält die erstaunliche Menge von 10 bis 14 Milliarden Nervenzellen. Wenn Gehirne in Formalin haltbar gemacht werden, sieht die Großhirnrinde grau aus. Sie wird deshalb auch als graue Substanz bezeichnet und umgangssprachlich spricht man oft von "grauen Zellen". Der übrige Teil des Großhirns besteht aus Nervenfasern, welche die Nervenzellen mit anderen Hirnteilen verbinden. Dieser Teil wird auch als weiße Substanz bezeichnet.

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