Die menschliche Wahrnehmung ist ein komplexes Zusammenspiel zwischen sensorischen Eingaben und motorischen Aktionen. Insbesondere die Augenbewegungen spielen eine zentrale Rolle bei der aktiven Abtastung der Umwelt und der Aufnahme visueller Informationen. Schnellste und häufigste Motorik in diesem Kontext sind die sogenannten Sakkaden – rasche ruckartige Augenbewegungen, die es uns ermöglichen, unseren Blick schnell und präzise auf neue Objekte oder Bereiche unseres visuellen Feldes zu richten. Es ist mittlerweile bekannt, dass Sakkaden nicht nur die Position des Blickfelds verändern, sondern auch bedeutende sensorische Effekte auf die Netzhaut haben: Durch die Bewegung verschiebt sich das Bild auf der Retina rasant, was jedoch in den meisten Fällen dem Bewusstsein verborgen bleibt. Wie hängt jedoch die Kinematik dieser schnellen Augenbewegungen mit den Grenzen unserer Fähigkeit zusammen, schnelle Bewegungen überhaupt wahrzunehmen? Seit längerer Zeit vermuten Neurowissenschaftler, dass die motorischen Aktionen selbst, mit denen wir Sinnesinformationen aufnehmen, maßgeblich die Wahrnehmungsgrenzen bestimmen.
Genauer gesagt könnte es sein, dass die Geschwindigkeit, Dauer und Amplitude von Bewegungen, wie sie bei Sakkaden vorliegen, die Aufnahme und Verarbeitungsfähigkeit für schnell bewegte visuelle Reize begrenzen – und zwar auf eine reproduzierbare, gesetzmäßige Weise. Neurowissenschaftliche Forschungen, wie sie zuletzt in umfangreichen Experimenten und Modellierungen durchgeführt wurden, haben nun überzeugende Belege dafür erbracht, dass die Grenzen der Hochgeschwindigkeitswahrnehmung tatsächlich genau durch die sogenannten "Gesetzmäßigkeiten" (main sequence) der Sakkadenkinematik beschrieben werden. Die Main-Sequence beschreibt das etablierte Verhältnis, dass mit zunehmender Amplitude der Sakkade sowohl ihre Dauer als auch die Spitzengeschwindigkeit ansteigen. Dabei ist das Verhältnis nicht linear, sondern folgt einer mathematisch präzisen Beziehung, die universell bei Sakkaden unterschiedlicher Spezies beobachtet wird – vom Menschen bis hin zu Fruchtfliegen. Die zentrale Erkenntnis ist, dass die Fähigkeit des Sehens, Bewegungen bei hohen Geschwindigkeiten zu detektieren, sich proportional zu diesen kinematischen Eigenschaften verhält.
Statt nur an absoluter Geschwindigkeit zu hängen, skaliert die Sichtbarkeit von schnellen visuellen Bewegungen mit Faktoren wie Bewegungsamplitude und der damit verbundenen Dauer. Dies bedeutet, dass unser visueller Apparat sensibel für eine Bandbreite von Geschwindigkeiten ist, deren obere Grenze durch die natürlichen Bewegungsmuster der eigenen Augenbewegungen bestimmt wird. Das zeigt sich etwa darin, dass Stimuli, die sich mit Geschwindigkeiten bewegen, die außerhalb der üblichen Sakkadenparameter liegen, auf einmal kaum noch wahrgenommen werden können. Um diesen Zusammenhang zu untersuchen, wurden spezielle Experimentdesigns entwickelt: Testpersonen fixierten einen Punkt, während hochfrequente Bildveränderungen – etwa Gabor-Patches – über verschiedene Distanzen und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten präsentiert wurden. Wichtig war, dass die Teilnehmer während der Stimuluspräsentation keine Sakkaden ausführten, sodass die Bewegungen ausschließlich in den Stimuli lagen und nicht durch eigene Augenbewegungen beeinflusst wurden.
Die Versuche zeigten, dass die Erkennbarkeit und Differenzierbarkeit der Bewegungen stark von einer Kombination aus Geschwindigkeit, Dauer und Amplitude abhängt, welche genau den Main-Sequence-Gesetzen der Sakkaden ähnelt. Die Experimente wurden zudem in unterschiedlichen Varianten durchgeführt, um die Robustheit der Ergebnisse zu überprüfen. Zum einen wurde die Bewegungsbahn der Stimuli mal leicht gekrümmt präsentiert, um der natürlichen Krümmung von Sakkaden zu entsprechen. Zum anderen wurde die Bewegungsgeschwindigkeit so angepasst, dass sie entweder konstant oder zeitlich variierend (ähnlich einem Sakkadenprofil mit schneller Beschleunigung und verzögerter Abbremsung) war. Beide Ansätze führten zu konsistenten Ergebnissen, die die Hypothese der kinematisch geprägten Wahrnehmungsgrenzen weiter bestätigten.
Ein besonders interessanter Befund war, dass die Präsenz von statischen Endpunkten vor und nach der Bewegung die Wahrnehmung stark beeinflusst. Stimuli, bei denen das Objekt nur während der Bewegung sichtbar war und vor oder nach der Bewegung nicht statisch präsentiert wurde, zeigten eine komplett andere Wahrnehmungsmuster: Die gesetzmäßige Abhängigkeit von Bewegungsgeschwindigkeit und Amplitude war hier kaum mehr gegeben. Dieses Ergebnis wurde in weiteren Experimenten bestätigt und ähnelt dem Phänomen der sogenannten "Sakkadischen Ausblendung" im natürlichen Sehen, bei der die retinalen Bewegungsinformationen während der schnellen Augenbewegung scheinbar ausgeschaltet werden, um das Bildflackern zu vermeiden. Die zugrunde liegende funktionale Ursache für diese Zusammenhänge wurde mittels computationalen Modellierens ebenfalls untersucht. Ein parsimonieuses Modell frühphasiger visueller Verarbeitung, das nur räumliche und zeitliche Filtercharakteristika berücksichtigt, konnte die wesentlichen Beobachtungen reproduzieren.
Besonders auffällig war, dass im Modell die Integration visueller Signale über Zeit und Raum kombiniert mit der dauerhaften Aktivierung an statischen Endpunkten zu einer visuell bedingten Unterdrückung der wahrgenommenen schnellen Bewegungen führt, die sich präzise an die Main-Sequence-Gesetze anpasst. Damit wird eine Erklärung geboten, wie das visuelle System bewegte Objekte zwischen schnell wechselnden zentralen Blickpunkten dennoch erfolgreich wahrnehmen kann, während es gleichzeitig den störenden Effekt des durch eigene Sakkaden induzierten retinalen Bewegungsrauschens minimiert. Diese Erkenntnisse verändern unser Verständnis der engen Verknüpfung von motorischer Steuerung und sensorischer Wahrnehmung grundlegend. Sie legen nahe, dass die Wahrnehmung in hohem Maße an die mit der eigenen Bewegung einhergehenden sensorischen Konsequenzen angepasst ist – als eine Art sensorimotorisches Korsett. Die wiederholte Erfahrung und Verinnerlichung der Geschwindigkeit-Dauer-Amplituden-Kombinationen durch die Sakkaden prägt die Sensitivität des visuellen Systems gegenüber schnellen Bewegungen, wahrscheinlich um eine effiziente Balance zwischen Bewegungswahrnehmung und Ausblendung selbstverursachter Fluktuationen zu gewährleisten.
Diese Erkenntnis hat weitreichende Folgen für Theorien zur visuellen Verarbeitung und insbesondere zur Erklärung der "Sakkadischen Ausblendung". Klassische Theorien setzen oft auf eine zentrale Rolle von Korollar-Ableitungen (corollary discharge), also motorischen Vorhersagesignalen, die an das visuelle System geschickt werden, um Bewegungen der eigenen Augen vorauszuberechnen und aus der Wahrnehmung zu eliminieren. Die aktuelle Forschung legt nahe, dass einfache zeitliche und räumliche Filtereigenschaften der visuellen Verarbeitung – verbunden mit der Gesetzmäßigkeit der Bewegungskinematik selbst – möglicherweise eine genauso wichtige, wenn nicht dominierende Rolle spielen können. Das bedeutet, dass viele visuelle Prozesse möglicherweise ganz ohne komplexe motorisch-sensorische Vorhersagesysteme realisierbar sind. Darüber hinaus zeigen die Experimente, dass es individuelle Unterschiede in der Kinematik der Sakkaden gibt, die sich ebenfalls in individuellen Unterschieden in der Wahrnehmung schnell bewegter Stimuli widerspiegeln.
Das spricht dafür, dass das visuelle System und die motorische Steuerung der Augen in einer längerfristigen und adaptiven Weise aufeinander abgestimmt sind, um optimale Wahrnehmung zu gewährleisten. Dies könnte auch erklären, warum Menschen beispielsweise verschiedene Bewegungsmuster und Wahrnehmungsfähigkeiten im Laufe ihres Lebens entwickeln und anpassen. Die Erforschung dieser Wechselwirkung zwischen oculomotorischer Steuerung und Wahrnehmung eröffnet zudem neue Perspektiven in der Entwicklung von Sehtrainingsprogrammen, Rehabilitationen bei Augenerkrankungen oder neurologischen Störungen, bei denen saccadische Bewegungen und deren Wahrnehmung beeinträchtigt sind. Ebenso sind die Erkenntnisse relevant für Anwendungen in Bereichen wie Virtual Reality und Augmented Reality, wo die natürliche Verzahnung zwischen Blickbewegung und Wahrnehmung berücksichtigt werden muss, um realistische und angenehme visuelle Erlebnisse zu schaffen. Ein weiterer spannender Aspekt ist die Möglichkeit, dass ähnliche Prinzipien auch in anderen sensorischen Modalitäten und Bewegungsarten gelten könnten.
