Gesichtssinn

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Einleitung

Gesichtssinn, Fähigkeit von Menschen und Tieren, sich mit Hilfe von Augen in der Umwelt zu orientieren.

Viele niedere Lebewesen besitzen Lichtrezeptoren, die es ihnen ermöglichen, auf Helligkeitsunterschiede oder Bewegungen zu reagieren und gerichtete Bewegungen auszuführen (siehe Phototaxis). Im Verlauf der Evolution haben sich aus solchen einfachen Sinneszellen komplizierte Sinnesorgane entwickelt, die Lichtreize besser und genauer erkennen können. Von Gesichtssinn und echter Sehfähigkeit spricht man in der Regel erst bei einem deutlich ausgeprägten Kopf und Gehirn sowie bei Augen, die mehr oder weniger genaue Abbilder der Umwelt erzeugen. Dies ist beim Menschen und bei Wirbeltieren sowie den am höchsten entwickelten Insekten und Kopffüßern der Fall. Gehirnuntersuchungen bei Salamandern zeigten, dass die Verarbeitung von Lichtreizen bei Amphibien – und damit wahrscheinlich auch bei allen höheren Wirbeltieren – derjenigen beim Menschen gleicht, obwohl das Salamandergehirn 100 000-mal weniger Nervenzellen hat als das menschliche Gehirn. Die grundlegenden Prinzipien des Gesichtssinnes sind demnach vermutlich bei allen Wirbeltieren gleich.

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Grundprinzipien

Lichtteilchen (Photonen) werden von Sehfarbstoffen, speziellen Pigmenten, in den Rezeptorzellen aufgenommen und über photochemische Reaktionen in ein Nervensignal verwandelt. In der Netzhaut des Auges von Menschen und Wirbeltieren führt die Reizaufnahme – im Gegensatz zu den Rezeptoren anderer Sinneszellen und den Lichtsinneszellen von Wirbellosen – nicht zu einer Depolarisation (siehe Neurophysiologie) der betreffenden Zelle und nicht zu einem Aktionspotential. Die Lichtsinneszellen des Menschen funktionieren genau umgekehrt: Ihr Membranpotential ist im nicht erregten Zustand relativ niedrig, und es werden über Synapsen laufend Neurotransmitter an die nachgeschaltete Nervenzelle ausgeschüttet. Bei einer Erregung durch Licht erhöht sich das Membranpotential (Hyperpolarisation) und die Ausschüttung der Neurotransmitter wird unterbrochen. Nervensignale werden nicht von den Rezeptoren selbst erzeugt, sondern von den nachgeschalteten Nervenzellen in der Netzhaut. Deren Signale werden anschließend im Nervensystem und im Gehirn verarbeitet und in Bilder umgesetzt.

Nur die elektromagnetische Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereichs erregt die Sinneszellen. Beim Menschen liegt der Wellenlängenbereich sichtbaren Lichtes zwischen etwa 400 und 750 Nanometern – viele Tiere können auch die benachbarten Bereiche des Spektrums (Ultraviolettstrahlung bzw. Infrarotstrahlung) als Licht wahrnehmen. Beim Farbensehen nehmen Rezeptoren mit verschiedenen Sehfarbstoffen Licht unterschiedlicher Wellenlänge auf. Die Farbe eines Objekts hängt also von der spektralen Zusammensetzung des einfallenden Lichtes ab, das die Rezeptortypen jeweils unterschiedlich stark anregt. Die wahrgenommene Helligkeit eines Objekts entspricht nach dem Weber-Fechner’schen Gesetz etwa dem Logarithmus der Lichtstärke. Nach den Linsengesetzen der Optik lässt die Augenlinse auf der Netzhaut ein umgekehrtes Bild der Außenwelt entstehen, das erst durch die Verarbeitung im Gehirn korrigiert wird.

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Räumliches Sehen

Menschen können – wie auch viele Säugetiere und einige andere Tiere (z. B. Eulenvögel) – räumlich sehen. Diese Fähigkeit beruht darauf, dass die Augen nebeneinander auf der Vorderseite des Kopfes (im Gesicht) liegen und sich infolgedessen ihre Gesichtsfelder überlappen. Das Gesichtsfeld ist die Fläche, aus der ein Auge Lichtreize aufnehmen kann. Betrachtet man ein Objekt gleichzeitig mit beiden Augen, nimmt jedes Auge den Gegenstand aus einem etwas anderen Blickwinkel wahr. Auf der Netzhaut der beiden Augen werden also zwei leicht unterschiedliche Bilder erzeugt. Durch die Verarbeitung dieser beiden Bilder im Gehirn entsteht eine räumliche Tiefenwahrnehmung. Technisch umgesetzt wird das Prinzip des räumlichen Sehens in einem Stereoskop.

Räumliches Sehen ist nur im mittleren Bereich des Gesichtsfeldes möglich, der von beiden Augen abgedeckt wird. Für die Randbereiche gilt dies nicht mehr, da Lichtstrahlen aus einem relativ spitzen Winkel nur noch in ein Auge fallen. Man bezeichnet diese Randbereiche auch als temporale (auf der Seite der Schläfen liegende) Halbmonde oder monokulare Zonen. Die Signale aus beiden Augen gelangen über die beiden Sehnerven zum Chiasma opticum, einer Kreuzungsstelle von Nervenbahnen nahe der Hypophyse am unteren Rand des Gehirns. Dort trennen sich die Signale: Diejenigen aus der nasalen (auf der Seite der Nase liegenden) Hälfte der Netzhaut werden in die jeweils gegenüberliegende Hälfte des Gehirns geleitet, Signale aus der temporalen Hälfte der Netzhaut werden auf derselben Hirnseite verarbeitet.

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Verarbeitung der Lichtreize beim Menschen

Hinter dem Chiasma opticum verzweigen sich die Nervenbahnen. Ein Zweig führt ins Mittelhirn. Die dort entspringenden Nervenfasern steuern Augenbewegungen, Lidschluss- und Pupillenreflex und führen zur Großhirnrinde. Der andere Zweig mündet in das Corpus geniculatum laterale (den lateralen Kniehöcker) im Thalamus. Dort werden die Lichtreize zu Bildern zusammengesetzt. Vom Thalamus aus ziehen Fasern in den visuellen Cortex im Hinterhauptslappen der Großhirnrinde, wo die Bilder verarbeitet werden. Eine höhere Aufmerksamkeit verbessert die Koordinierung der beteiligten Fasern und damit die Wahrnehmung. Die vielschichtige Verarbeitung der Reize und der erzeugten Bilder durch die Großhirnrinde, z. B. mittels Assoziationen, Emotionen und Erinnerungen im Gedächtnis, hebt den Gesichtssinn weit über die Funktion eines Fotoapparates hinaus. Dass Bilder nicht einfach nur wahrgenommen, sondern im Gehirn verarbeitet werden, zeigt sich beispielsweise bei optischen Täuschungen.

Im primären visuellen Cortex werden die Lichtreize in getrennten Feldern verarbeitet, die sich spiegelbildlich genau gegenüber den Regionen des Gesichtsfeldes befinden, aus denen sie stammen. Dort dienen Zellsäulen und Zellschichten der Orientierung und der Tiefenwahrnehmung. Zwischen den Orientierungssäulen werden in so genannten Blobs Farben analysiert. Bewegungen werden registriert, indem Reihen von Zellen nacheinander auf Reize eines bestimmten Punktes auf der Netzhaut reagieren. Vom primären Cortex verlaufen Nervenverbindungen zum Schläfenlappen, wo Formen wahrgenommen werden, und zum Scheitellappen, wo das visuelle Kurzzeitgedächtnis liegt und Bewegungen des Körpers in Bezug auf wahrgenommene Objekte koordiniert werden.

Der Gesichtssinn ist in vielerlei Hinsicht der wichtigste Sinn des Menschen, auch weil die visuellen Signale zahlreiche andere Gehirnfunktionen maßgeblich beeinflussen. Andere Gehirnleistungen wirken aber auch stark auf die Verarbeitung der visuellen Signale ein. Indem Kleinkinder beispielsweise unbekannte Gegenstände ertasten, assoziieren sie die Informationen ihres Tastsinnes mit denen des Gesichtssinnes. Wie weit entfernt ein Gegenstand ist, erkennt ein Mensch auch durch Erfahrung und durch Lernen. Ändert man die Größe der Abbildung eines Gegenstandes auf der Netzhaut, indem man beispielsweise eine Lupe oder ein Fernrohr vor das Auge hält, so entsteht auf der Netzhaut ein größeres Bild; entsprechend haben wir den Eindruck, der Gegenstand sei näher.