Echoortung: Wie das Gehirn aus einzelnen Klicks eine Raumkarte baut

Manche blinde Menschen orientieren sich, indem sie mit der Zunge oder den Lippen Klickgeräusche erzeugen und aus dem zurückkommenden Echo die Umgebung „hören“. Eine Studie des Smith-Kettlewell Eye Research Institute in San Francisco und der Cardiff University zeigt jetzt im Detail, wie das Gehirn dabei vorgeht: Es sammelt offenbar über mehrere Klicks hinweg Informationen und baut daraus Schritt für Schritt ein räumliches Bild auf, statt sich auf einen einzigen „perfekten“ Klick zu verlassen. Die Arbeit von Haydée G. García-Lázaro und Santani Teng erschien im Frühjahr Fachjournal eNeuro.

Vier Profis gegen 21 Novizinnen und Novizen

Für die Studie verglichen die Forschenden vier blinde Experten für Klick-Echoortung mit 21 sehenden Testpersonen ohne jede Erfahrung in der Technik. Drei der vier Profis waren von früher Kindheit an blind (im Text EB1 bis EB3 genannt), einer erst später im Leben erblindet (LB1). Dieser arbeitet trotz seiner Praxis als Echoortungs-Lehrer.

Alle Testpersonen trugen eine Haube mit 64 Elektroden, die die elektrische Aktivität des Gehirns misst (Elektroenzephalografie, kurz EEG), und hörten über Einsteckhörer (Etymotic ER-3A) synthetisch erzeugte Klicks samt computergenerierter Echos. Diese simulierten ein unsichtbares Objekt in 1 Meter Entfernung. Die Aufgabe: per Tastendruck angeben, ob das Objekt links oder rechts der Körpermitte lag, und zwar nach Serien von 2, 5, 8 oder 11 identischen Klicks hintereinander.

Der Unterschied zwischen den Gruppen fiel deutlich aus. Die drei früh erblindeten Profis lagen im Schnitt bei 93,52 % richtigen Antworten (EB1: 99,5 %, EB2: 92,81 %, EB3: 88,25 %), der später erblindete Teilnehmer bei 56,5 %. Die sehende Kontrollgruppe kam nur auf 51,83 %, statistisch nicht von reinem Raten zu unterscheiden (t(20) = 1,86; p = 0,076). Der Unterschied zwischen den früh erblindeten Profis und der Kontrollgruppe war dagegen eindeutig (t = 8,04; p < 0,001).

Je mehr Klicks, desto genauer, bei den meisten

Bei zwei der drei früh erblindeten Profis zeigte sich innerhalb einzelner Durchgänge ein klarer Lerneffekt: Je mehr Klicks sie hörten, desto kleinere Winkelunterschiede konnten sie noch zuverlässig links oder rechts zuordnen. Bei EB2 sank dieser Schwellenwert von rund 8 Grad bei 2 Klicks um etwa 0,61 Grad mit jedem weiteren Klick. Bei EB3 startete die Schwelle deutlich höher, bei rund 21 Grad, und sank mit jedem Klick um etwa 2 Grad. EB1 dagegen brauchte kaum Übung: Er erreichte schon mit 2 Klicks eine Schwelle von rund 4 Grad und blieb dort, egal wie viele Klicks folgten, vermutlich weil er ohnehin nahe an der Bestleistung lag, die sich in diesem Experiment überhaupt messen ließ.

Die Hirnsignale erkennen die Richtung schon beim ersten Klick

Parallel zu den Verhaltensdaten werteten García-Lázaro und Teng die Hirnsignale mit einem Mustererkennungsverfahren aus (Multivariate Pattern Analysis, kurz MVPA), das prüft, ob sich aus der Hirnaktivität ablesen lässt, wohin ein Klick eigentlich zeigte. Bei den früh erblindeten Profis ließ sich die Richtung des Echos bereits nach dem allerersten Klick zuverlässig aus den Hirnsignalen herauslesen. Wer hier ein besonders klares Signal zeigte, schnitt im Test insgesamt auch besser ab.

Über die Klickfolge hinweg veränderte sich das Signal: Der erste Klick ließ sich neuronal am klarsten von späteren Klicks unterscheiden, bei Klick 8 oder 11 wurde dieser Unterschied kleiner. Bei der sehenden Kontrollgruppe fiel derselbe Effekt deutlich schwächer und kürzer aus. In den isolierten Zwei-Klick-Fenstern am Anfang und Ende eines Durchgangs ließ sich bei ihr dagegen gar keine verlässliche Unterscheidung nachweisen.

Um zu klären, ob das Gehirn Informationen über mehrere Klicks hinweg sammelt oder sich nur auf den einen besten Treffer verlässt, verglichen die Forschenden vier rechnerische Modelle des Entscheidungsverhaltens. Das Ergebnis fiel von Person zu Person unterschiedlich aus: Bei EB2 passte am besten ein Modell, das die Hirnsignale aller Klicks aufsummiert; es sagte die Leistung deutlich besser vorher als ein einfaches Modell, das nur die Klickzahl berücksichtigt (ΔAUC ≈ +0,07). Bei EB3 passte ein Modell am besten, das misst, wie stark das Signal über die Klickfolge hinweg zunimmt. Für EB1 ließ sich wegen seiner nahezu perfekten Leistung keine verlässliche Aussage treffen, und bei LB1 verbesserte keines der Modelle die Vorhersage, ebenso wenig bei der sehenden Kontrollgruppe. Wichtig: Bei keinem der drei früh erblindeten Profis passte ein Modell besser, das nur auf den einen stärksten Klick setzt. Das spricht dafür, dass ihr Gehirn tatsächlich Informationen über mehrere Klicks sammelt, statt auf den einen perfekten Treffer zu warten.

Grundlagenforschung mit offenen Fragen

Die Stichprobe bleibt mit vier Experten (alle männlich) klein, was breitere statistische Aussagen einschränkt, das räumen García-Lázaro und Teng selbst ein, etwa wenn sie bei EB1 wegen dessen nahezu perfekter Leistung auf einen Modellvergleich verzichten.

Die Autoren verweisen zudem auf frühere Arbeiten, wonach der Zeitpunkt der Erblindung die räumliche Hörwahrnehmung mitprägen könnte: Früh erblindete Menschen entwickeln demnach möglicherweise andere Bezugspunkte für räumliches Hören als spät erblindete, die sich stärker auf visuell geprägte Vorstellungen von Raum verlassen. Warum genau sich früh und spät erblindete Profis in Verhalten und Hirnaktivität derart unterscheiden, bleibt trotz dieser Erklärung eine offene Frage für weitere Forschung.