Wie der Zeigefinger sich täuschen kann

Kognitionswissenschaftler des Exzellenzclusters CITEC entdecken neue Wahrnehmungsillusion

Finger sind die wichtigsten Tastsensoren des Menschen. Doch nicht immer fühlen sie zuverlässig. Sie lassen sich täuschen. Das haben Wissenschaftler des Exzellenzclusters Kognitive Interaktionstechnologie (CITEC) der Universität Bielefeld in einer neuen Studie gezeigt, indem sie die Wahrnehmung austricksten. Testpersonen legten ihren Zeigefinger in einen Apparat und berührten ein Objekt, dessen Härte sich veränderte, ohne dass die Personen das bemerkten. Während der Berührung entstand die Illusion, dass sich nicht die Härte veränderte, sondern die Position ihres Fingers. Das Kuriose: Der Finger war fixiert, konnte sich also nicht bewegen. Die Forscher haben ihre Ergebnisse am Donnerstag, 7. April 2016, im Fachmagazin „Current Biology“ veröffentlicht.

Prof. Dr. Marc Ernst vom Exzellenzcluster CITEC untersucht, wie sich die Wahrnehmung von Menschen täuschen lässt. Foto: CITEC/Universität BielefeldEinen virtuellen Tastsinn entwickeln – das ist ein langfristiges Ziel von Professor Dr. Marc Ernst, bis Ende März 2016 Leiter der Forschungsgruppe Kognitive Neurowissenschaften in Bielefeld. Im EU-Forschungsprojekt „WEARHAP“ arbeitet er mit Kolleginnen und Kollegen aus ganz Europa daran. „Wir wissen jetzt besser, wie wir künstlich den Eindruck vermitteln können, ob sich ein Objekt weich oder hart anfühlt“, sagt der Neurowissenschaftler. „Das soll uns in Zukunft helfen, einen virtuellen Tastsinn zu entwickeln, mit dem man aus der Ferne ertasten kann, wie sich beispielsweise ein Pullover oder ein anderes Produkt anfühlt, das es bei einem Online-Versand zu kaufen gibt.“

„Eine grundlegende Frage im Projekt ist: Welche haptischen Reize spielen eine Rolle für die Wahrnehmung?“, sagt Ernst. Mit haptischen Reizen beschreibt der Kognitionswissenschaftler die Empfindungen, die beim Tasten entstehen. „Eine Besonderheit unserer Finger ist, dass sie fleischig sind. Sie können nachgeben, wenn sie etwas berühren“, sagt Marc Ernst. Wenn eine Person zum Beispiel einen Schwamm anfasst, spürt sie über die Tastsensoren in ihrer Haut, wie der Gegenstand beschaffen ist. Je mehr sie presst und je weicher das Objekt ist, desto größer wird die Kontaktfläche. „Wir wollten in unserer neuen Studie klären, ob diese Kontaktfläche, die charakteristische Informationen über das Objekt und die Interaktion mit ihm enthält, Auswirkungen auf die Wahrnehmung hat“, sagt der Kognitionswissenschaftler.

Diese haptischen Eindrücke wirken sich laut Marc Ernst auch auf die Körperwahrnehmung aus – das Gefühl eines Menschen, wie seine Arme, Finger und die anderen Gliedmaßen und Körperteile ausgerichtet sind. „Das passiert zum einem über die Sensoren in den Muskeln und Sehnen“, sagt der Wissenschaftler. „Zum anderen tragen die Sinneszellen der Haut zur Körperwahrnehmung bei. Wenn sich beispielsweise die Haut eines Fingers dehnt oder zusammenzieht wenn wir diesen Abknicken, so sagt das etwas über seine Stellung aus. Das Gehirn kann über die Sensoren in der Haut berechnen, ob der Finger gerade oder krumm ist und in welcher Stellung er sich befindet.“ Wie wichtig die Rezeptoren der Haut für die Körperwahrnehmung sind, zeigt sich laut Ernst besonders bei Menschen mit starken Vernarbungen nach Verbrennungen. Sie haben häufig Probleme, die korrekte Position der geschädigten Körperteile wahrzunehmen. Wie die Körperwahrnehmung von der taktilen Wahrnehmung beeinflusst wird, war Teil der neuen Studie.

Mit eigenen Geräten testen der CITEC-Forscher Dr. Alessandro Moscatelli und seine Kollegen, wie Men-schen Berührungen und ihren eigenen Körper wahrnehmen. Foto: CITEC/Universität BielefeldFür ihr Experiment bauten die Wissenschaftler einen Apparat, an dessen Ende waagerecht ein Stoffband gespannt war. Die Härte des Bandes war verstellbar. Die Versuchsperson legte ihre Hand und den Unterarm in die Führungen des Apparates. Die Person sollte sagen, wann ihrer Meinung nach der Finger weiter abgeknickt war. Tatsächlich veränderte sich die Position des Fingers aber nicht, sondern nur die Härte des Stoffbandes. „Verblüffend war, dass alle Probanden das Abknicken des Fingers am größten einschätzen, wenn das Stoffband weich war. Das liegt offenbar daran, dass das weiche Band im Vergleich mehr Hautfläche berührt“, sagt Dr. Alessandro Moscatelli, der die Experimente ausführte.

„Unsere Studie beweist, dass für die Wahrnehmung unseres Körpers und die Stellung seiner Gliedmaßen selbst die Tastsensoren in der Haut der Fingerspitzen eine große Rolle spielen“, sagt Professor Dr. Marc Ernst. Entscheidend ist, mit wie viel Fläche des Objekts unsere Haut in Berührung kommt. Je mehr Kontaktfläche, desto näher erscheint uns ein Objekt, und daher umso mehr abgeknickt der Finger.“ Doch warum ist diese Erkenntnis wichtig? „Ohne dass wir unsere Körperstellung genau kennen würden, könnten wir nicht greifen, nicht fangen, und nicht mit Objekten oder anderen Personen interagieren“, erklärt Marc Ernst.

Diesen Effekt – je mehr Kontakt mit der Haut, desto näher wirkt das Objekt – vergleichen Ernst und Moscatelli in ihrem Artikel mit einem bekannten Effekt, den es auch beim Sehen gibt: „Wenn ein Objekt auf uns zufliegt und es uns immer näher kommt, wird dessen Bild auf unserer Netzhaut immer größer. erklärt Alessandro Moscatelli. „Umgekehrt, wenn wir ein größer werdendes Bild auf unserer Netzhaut sehen, schließt unser Gehirn daraus, dass es sich um ein Objekt handelt das sich auf uns zubewegt und nicht etwa um ein Objekt das sich plötzlich ausdehnt.“ Biologen nennen diese visuelle Empfindung „Looming“ (deutsch: Anbahnung). Die Bielefelder Forscher übernehmen diese Bezeichnung für die Empfindung, die beim Tasten entsteht, wenn der Finger in Kontakt mit einem Objekt kommt und die Kontaktfläche immer größer wird: Das Objekt kommt näher, beziehungsweise der Finger muss sich mehr abknicken, um in das weiche Objekt zu drücken. Ähnlich wie der Mensch nicht annimmt, dass sich ein Objekt plötzlich ausdehnt, nimmt das Gehirn auch nicht an dass ein Objekt plötzlich seine Härte verändert. Wenn wir dennoch künstlich die Härte verändern, fällt das Gehirn darauf herein und nimmt fälschlicherweise an der Finger hätte sich bewegt. „Wir nennen das taktiles Looming“, sagt Marc Ernst.

Noch bis Februar 2017 läuft das Forschungsprojekt WEARHAP (WEARable HAPtics for Humans and Robots – Tragbarer Tastsinn für Menschen und Roboter). Die Universität Bielefeld kooperiert dafür mit neun Forschungseinrichtungen aus ganz Europa. 7,7 Millionen Euro investiert die Europäische Union in das Projekt. Davon geht fast eine Million Euro an die Universität Bielefeld.

Originalveröffentlichung:
Alessandro Moscatelli, Matteo Bianchi, Alessandro Serio, Alexander Terekhov, Vincent Hayward, Marc Ernst, Antonio Bicchi: The Change in Fingertip Contact Area as a Novel Proprioceptive Cue, http://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(16)30134-8#, erschienen am 7. April 2016

Weitere Informationen im Internet:
„Per Tasthandschuh Objekte in der Ferne fühlen“ (Pressemitteilung vom 17.09.2013): http://ekvv.uni-bielefeld.de/blog/pressemitteilungen/entry/per_tasthandschuh_objekte_in_der

Kontakt:
Prof. Dr. Marc Ernst, Universität Bielefeld
Fakultät für Biologie
Telefon: 0521 106-5700
E-Mail: marc.ernst@uni-bielefeld.de

Dr. Alessandro Moscatelli, Universität Bielefeld
Fakultät für Biologie
E-Mail: alessandro.moscatelli@uni-bielefeld.de