Forschung für die Integration von Sensorik und Kognition

Anlässlich eines Antrittssymposium gaben Prof. Dr. Alexandra Bendixen und Prof. Dr. Wolfgang Einhäuser-Treyer vom Institut für Physik am 8. Juli 2015 Einblick in ihre Forschungsarbeit

Besonders freute sich Prof. Dr. Michael Mehring, Dekan der Fakultät für Naturwissenschaften, am Abend des 8. Juli 2015 gleich zwei Antrittsvorlesungen der neu an die TU Chemnitz berufenen Professoren Dr. Alexandra Bendixen und Dr. Wolfgang Einhäuser-Treyer ankündigen zu dürfen. In seiner Einführungsrede machte er mit einem Überblick der wissenschaftlichen Errungenschaften beider Forscher deutlich, wie bedeutsam dieser Zuwachs für den Bereich Sensorik und Kognitive Psychologie des Chemnitzer Instituts für Physik ist.

Um den anwesenden Universitätsangehörigen und Gästen ihre Forschungsschwerpunkte nahezubringen, referierte Alexandra Bendixen im ersten Teil des Physikalischen Kolloquiums über „Unerhörtes Wissen – Kognitive Beiträge zur Wahrnehmung“. Die Psychologin zeigte die Schnittstelle zwischen Sensorik und Kognition auf, die sie mit ihrer Arbeitsgruppe für Struktur und Funktion kognitiver Systeme am Beispiel des Hörens beforscht. Traditionellen Modellen zufolge werden sensorische Informationen zunächst enkodiert und wahrgenommen, um später für kognitive Prozesse, zum Beispiel Lernen und Gedächtnis, Handlungsplanung und Aufmerksamkeit, zur Verfügung zu stehen. Neuere Arbeiten zeigen jedoch, dass die kognitiven Prozesse auch auf frühere sensorische Ebenen rückwirken können. Die Professorin veranschaulichte dies anhand der Mischung von Sprach- und Zugsignalen im Bahnverkehr. Hier muss unser Wahrnehmungssystem zunächst das Störgeräusch des Zuges herausfiltern. Dabei hilft der kognitive Prozess der Erkennung von akustischen Regelmäßigkeiten. An diesem Punkt setzt auch das Konzept des „unerhörten Wissens“ an. Gemeint ist damit die Vorabinformation über demnächst eintreffende Schallsignale anhand der erkannten Regelmäßigkeiten.

Um den Nutzen der Regelmäßigkeit von Schallsignalen für die Schallquellentrennung und das Sprachverstehen empirisch zu untermauern, führte Alexandra Bendixen mit ihrem Team eine Reihe von Versuchen dazu durch, wie unser Gehirn fehlende Informationen ersetzt. Dabei soll zwischen zwei möglichen kognitiven Mechanismen unterschieden werden: die retrospektive Verarbeitung, das heißt die Rekonstruktion, was möglicherweise gesagt wurde oder die prädiktive Verarbeitung, das heißt die Vorhersage, was gleich gesagt werden wird. Mit Hilfe der Aufzeichnung der Hirnaktivität mittels EEG kann Alexandra Bendixen zeigen, dass eher vorhergesagt wird, welches Sprachsignal als nächstes folgen wird. Positive Effekte davon sind die effiziente Kompensation fehlender Informationen und die Schonung vorhandener kognitiver Ressourcen. Dieser Theorie der prädiktiven Kodierung, die besagt, dass auf allen Ebenen der neuronalen Verarbeitung immer versucht wird, Eingangssignale so gut es geht vorherzusagen, geht Alexandra Bendixen auch in weiteren Forschungsarbeiten nach. Anhand ihrer Ergebnisse resümiert sie, dass die Ausblendung von Störschall durch die Subtraktion vorhersagbarer Komponenten begünstigt wird. Unser Gehirn verarbeitet sensorische Informationen also tatsächlich bevorzugt nach dem prädiktiven Ansatz. Dies ist nur eines von vielen Beispielen dafür, dass Sensorik und Kognition viel stärker miteinander verknüpft sind als bislang angenommen. Ihr Ziel, so betonte Alexandra Bendixen, sei die Entwicklung eines integrativen Modells von Sensorik und Kognition, auf das sie mit aktuellen Forschungsperspektiven einen Ausblick gab.

Wettstreit als Prinzip kognitiver Prozesse

Ihr Kollege Wolfgang Einhäuser-Treyer widmete sich in seinem anschließenden Vortrag dem „Wettstreit als Prinzip kognitiver Prozesse“. Der besagte Wettstreit kann zwischen Objekten, Wahrnehmungszuständen und Handlungsoptionen stattfinden; dies entspricht auf kognitiver Ebene Aufmerksamkeit, Rivalry beziehungsweise Entscheidungsfindung. Langfristig soll diese Analogie die Möglichkeit einer vereinheitlichten Modellierung kognitiver Prozesse bieten. Zunächst erklärte der Physiker, wie mit der Aufzeichnung von Augenbewegungen Aufmerksamkeit gemessen werden kann. Damit soll zum Beispiel geklärt werden, ob einfache Bildmerkmale oder Objekte unsere Aufmerksamkeit steuern. Mit der Vorstellung seiner Forschungsarbeit legte Wolfgang Einhäuser-Treyer nahe, dass sich für die Vorhersage von Aufmerksamkeit Objekte besser eignen. Ob wir aber ein Objekt zur Aufmerksamkeitssteuerung nutzen, hängt nicht nur vom Reiz, sondern auch von der Tatsache ab, dass wir ihn tatsächlich zum Objekt integriert haben. Objektbasierte Aufmerksamkeitsvorteile gibt es nur dann, wenn eine Figur tatsächlich zum Objekt gebunden ist. Kippfiguren, die als bi-stabile Abbildungen zu spontanen Wahrnehmungswechseln führen, haben dabei eine gewisse Rivalität inne, welcher der Leiter der Arbeitsgruppe „Physik kognitiver Prozesse“ weiter nachging. Hier spielt der Faktor der Entscheidung für eine Wahrnehmungsoption eine wichtige Rolle. Der Physiker konnte mit seinen Forschungsarbeiten zeigen, dass wir auch in diesem Fall einen einheitlichen Wahrnehmungszustand anstreben, der sich über die Pupillenerweiterung messen lässt. Die Pupillengröße steigt nämlich zu dem Zeitpunkt des Wechsels der Wahrnehmung sichtbar an.

Folgt man den Ausführungen von Wolfgang Einhäuser-Treyer weiter, teilen die Stabilisierung der Wahrnehmung und die Entscheidung für eine Handlungsoption ein gemeinsames neurophysiologisches Substrat. Hierbei gilt der Wettstreit als übergeordnetes Prinzip. Abschließend stellte der Professor ein neuronales Schaltkreismodell vor, das über die kreuzweise Kopplung von zwei Schaltungen einen Gedächtniszustand modelliert, der mit dem Wettstreit kombiniert werden kann. Wolfgang Einhäuser-Treyer fasst zusammen, dass der Schaltkreis, der auf dem winner-take-all-Prinzip beruht, die Essenz der Wettstreitphänomene erfasst und daher als Ansatz zur domänenübergreifenden Modellbildung genutzt werden kann. In diesem Sinne erweist sich das Prinzip des Wettstreits als nützlich für das Verstehen kognitiver Prozesse.

Die Brücken zwischen Sensorik und Kognition weiter zu erforschen, ist die Absicht, welche die Professoren eint. Beide beabsichtigen nicht nur in ihren jeweiligen Kernbereichen weitere Erkenntnisse zu gewinnen, sondern auch ihre inhaltlichen und methodischen Ansätze zu kombinieren. Auf diesem Weg möchten sie die Integration von Physik und Psychologie weiter vertiefen und damit diesen innovativen Schwerpunkt der TU Chemnitz stärken.

Zur Person: Prof. Dr. Alexandra Bendixen und Prof. Dr. Wolfgang Einhäuser-Treyer

Alexandra Bendixen ist seit April 2015 Universitätsprofessorin (W3) für Struktur und Funktion kognitiver Systeme am Institut für Physik der TU Chemnitz. Ihr Psychologiestudium an der Universität Leipzig und der Université Pierre Mendès France in Grenoble beendete sie mit ihrer Diplomarbeit im Jahr 2005. Danach war sie bis 2008 Stipendiatin im DFG-Graduiertenkolleg „Funktion von Aufmerksamkeit bei kognitiven Prozessen“ in Leipzig, wo sie auch ihre Promotion abschloss. Anschließend war sie bis 2009 DFG-Forschungsstipendiatin am Psychologischen Institut der Ungarischen Akademie der Wissenschaften in Budapest. Von 2010-2013 war sie als Akademische Rätin am Institut für Psychologie der Universität Leipzig tätig und habilitierte hier im Bereich Kognitive einschließlich Biologische Psychologie. Bis zu ihrer Berufung an die Chemnitzer Universität hatte sie die Juniorprofessur (W1) für Psychophysiologie des Hörens an der Carl-von-Ossietzky-Universität Oldenburg inne.

Wolfgang Einhäuser-Treyer wurde im April 2015 auf die Universitätsprofessur (W3) Physik kognitiver Prozesse am Institut für Physik der TU Chemnitz berufen. Von 1997-2001 studierte er Physik an der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg und der Eidgenössisch Technischen Hochschule (ETH) in Zürich. An der ETH erhielt er im Bereich Physik (Neuroinformatik) 2004 mit seiner Dissertation über „Bottom-up and top-down processing of natural scenes“ die Doktorwürde. Von 2005-2006 bekleidete er eine Postdoktorandenstelle am California Institute of Technology in Pasadena (USA), die über ein Stipendium des Schweizerischen Nationalfonds gefördert wurde. Anschließend war er von 2007-2008 Oberassistent an der ETH im Department Informatik. Ab 2008 war er bis 2015 als Juniorprofessor (W1) für Neurophysik an der Philipps-Universität Marburg tätig.

(Autor: Andy Schäfer)

Mario Steinebach
10.07.2015

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