Wie funktioniert das Sehen?

Synonyme im weiteren Sinne

Medizinisch: Visuelle Wahrnehmung, Visualisieren

Schauen, Gucken

Englisch: see, watch, look

Definition Sehen

Das Sehen mit den Augen ist die visuelle Wahrnehmung von Licht und Fortleitung zu den Sehzentren im Gehirn (ZNS).
Daran schließt sich die Bewertung der Seheindrücke und eine eventuell folgende Reaktion darauf an.

Das Licht löst im Auge auf der Netzhaut eine chemische Reaktion aus, bei der ein spezifischer elektrischer Impuls entsteht, der über Nervenbahnen zu höheren, den sogenannten optischen Gehirnzentren, weitergeleitet wird. Auf dem Weg dahin, nämlich schon in der Netzhaut, wird der elektrische Reiz verarbeitet und für die höheren Zentren so aufbereitet, dass diese mit der gelieferten Information entsprechend umgehen können.

Weiterführend muss man noch die psychologischen Konsequenzen, die sich aus dem Gesehenem ergeben, dazu zählen. Nachdem die Information in der Sehrinde des Gehirns bewusst geworden ist, findet eine Analyse und Interpretation statt. Es entsteht ein fiktives Modell zur Darstellung des Seheindrucks, mit dessen Hilfe die Konzentration auf spezifische Details des Gesehenen gelenkt wird. Die Interpretation ist stark von der individuellen Entwicklung des Betrachters abhängig. Erfahrungen und Erinnerungen beeinflussen diesen Prozess unwillentlich, so dass jede Person sein „eigenes Bild“ aus einer visuellen Wahrnehmung kreiert.

Abbildung Augapfel

  1. Sehnerv (Nervus opticus)
  2. Hornhaut
  3. Linse
  4. vordere Augenkammer
  5. Ziliarmuskel
  6. Glaskörper
  7. Netzhaut (Retina)

Einleitung

Das Sehen ist ein sehr komplexer Vorgang, der bis heute noch nicht in allen Einzelheiten aufgeklärt ist. Licht wird als Information in elektrischer Form an das Gehirn weitergeleitet und entsprechend verarbeitet.

Um das Sehen zu verstehen, sollten einige Begriffe bekannt sein, die im Folgenden kurz erklärt werden:

  1. Was ist Licht?

  2. Was ist ein Neuron?

  3. Was ist die Sehbahn?

  4. Was sind die optischen Sehzentren?

Was ist Licht?

Das Licht, welches wir wahrnehmen, ist elektromagnetische Strahlung von einer Wellenlänge im Bereich von 380 – 780 Nanometer (nm). Die unterschiedlichen Wellenlängen von Licht in diesem Spektrum bedingen die Farbe. Beispielsweise liegt die Farbe Rot in einem Wellenlängenbereich von 650 – 750 nm, Grün im Bereich von 490 – 575 nm und Blau bei 420 – 490 nm.

Noch genauer betrachtet kann man Licht auch in kleinste Teilchen, sogenannte Photonen aufteilen. Das sind die kleinsten Lichteinheiten, die am Auge einen Reiz entstehen lassen können. Damit der Reiz aber bemerkbar wird, müssen natürlich unheimlich viele dieser Photonen einen Reiz am Auge auslösen.

Was ist ein Neuron?

Ein Neuron bezeichnet im Allgemeinen eine Nervenzelle.
Nervenzellen können sehr unterschiedliche Funktionen übernehmen. In der Hauptsache sind sie aber für Information in Form von elektrischen Impulsen empfänglich, können diese je nach der Art der Nervenzelle verändern und über Zellfortsätze (Axone, Synapsen) dann an eine oder viel häufiger mehrere weitere Nervenzellen weiterleiten.

Abbildung Nervenendigunge (Synapse)

  1. Nervenendigung (Dentrit)
  2. Botenstoffe, z.B. Dopamin
  3. andere Nervenendigung (Axon)

Was ist die Sehbahn

Als Sehbahn wird die Verbindung von Auge und Gehirn durch zahlreiche Nervenfortsätze bezeichnet. Am Auge angefangen beginnt sie mit der Netzhaut und setzt sich im Sehnerv ins Gehirn fort. Im Corpus geniculatum laterale, nahe dem Thalamus (beides wichtige Hirnstrukturen) findet dann eine Umschaltung auf die Sehstrahlung statt. Diese strahlt dann in den Hinterlappen (Okzipitallappen) des Gehirns ein, wo sich die Sehzentren befinden.

Was sind die optischen Sehzentren?

Optische Sehzentren sind Bereiche im Gehirn, die hauptsächlich Information, die aus dem Auge kommt, verarbeiten und entsprechende Reaktionen einleiten.

Dazu zählt hauptsächlich die Sehrinde, die sich im hinteren Teil des Gehirns befindet. Sie lässt sich in eine primäre und sekundäre Sehrinde einteilen. Hier wird das Gesehene erstmals bewußt wahrgenommen, dann interpretiert und eingestuft.

Daneben gibt es noch kleinere Sehzentren im Hirnstamm, die für die Augenbewegungen und Augenreflexe zuständig sind. Nicht nur für den gesunden Sehvorgang sind sie wichtig, sie spielen auch bei Untersuchungen eine wichtige Rolle, um beispielsweise festzustellen, welcher Teil des Gehirns oder der Sehbahn geschädigt ist.

Visuelle Wahrnehmung in der Netzhaut

Damit wir sehen können, muss das Licht die Netzhaut im hinteren Teil des Auges erreichen. Es fällt zunächst durch Hornhaut, Pupille und Linse, durchquert dann hinter der Linse den Glaskörper und muss erst die gesamte Netzhaut selbst durchdringen, bevor es an die Stellen gelangt, wo es zum ersten Mal einen Effekt auslösen kann.

Hornhaut und Linse gehören zum (optischen) Brechungsapparat, der dafür sorgt, dass das Licht korrekt gebrochen wird und das Gesamtbild genau auf der Netzhaut abgebildet wird. Ansonsten würden die Gegenstände nicht scharf wahrgenommen werden. Dies ist zum Beispiel bei der Kurzsichtigkeit oder Weitsichtigkeit der Fall.
Die Pupille ist eine wichtige Schutzeinrichtung, die durch Erweiterung oder Zusammenziehen den Lichteinfall reguliert. Es gibt auch Medikamente, die diese Schutzfunktion außer Kraft setzen. Nötig ist dies zum Beispiel nach Operationen, wenn die Pupille für einige Zeit ruhig gestellt werden soll, damit der Heilungsprozess besser vorangetrieben werden kann.

Hat das Licht die Netzhaut durchdrungen, trifft es auf Zellen, die Stäbchen und Zapfen genannt werden. Diese Zellen sind lichtempfindlich.
Sie besitzen Rezeptoren („Lichtfühler“), die an ein Protein, genauer an ein G-Protein, das sogenannte Transducin, gebunden sind. Dieses spezielle G-Protein ist an ein weiteres Molekül, das Rhodopsin gebunden.
Es besteht aus einem Vitamin A – Teil und einem Proteinanteil, dem sogenannten Opsin. Ein Lichtteilchen, dass auf ein solches Rhodopsin trifft, verändert seine chemische Struktur, in dem eine zuvor geknickte Kette aus Kohlenstoffatomen begradigt wird.
Diese einfache Änderung in der chemischen Struktur des Rhodopsins macht nun eine Interaktion mit dem Transducin möglich. Dadurch wird auch der Rezeptor in seiner Struktur dahingehend verändert, dass eine Enzymkaskade aktiviert wird und eine Signalverstärkung eintritt.
Beim Auge führt dies zu einer erhöhten negativen elektrischen Ladung an der Zellmembran (Hyperpolarisation), die als elektrisches Signal weitergeleitet wird (Weiterleitung des Sehens).

Die Zäpfchenzellen befinden sich im Punkt des schärfsten Sehens, auch gelber Punkt (Macula lutea) oder in Fachkreisen Fovea centralis genannt.
Es gibt 3 Arten von Zapfen, die sich dadurch unterscheiden, dass sie auf Licht eines ganz bestimmten Wellenlängenbereichs reagieren. Es gibt den Blau-, Grün- und Rotrezeptor.
Dadurch ist der für uns sichtbare Farbbereich abgedeckt. Die anderen Farben ergeben sich überwiegend durch gleichzeitige, aber unterschiedlich starke Aktivierung dieser drei Zelltypen. Genetische Abweichungen im Bauplan dieser Rezeptoren können zu den verschiedenen Farbenblindheiten führen.

Die Stäbchenzellen findet man überwiegend im Randgebiet (Peripherie) um die Fovea centralis herum. Stäbchen besitzen keine Rezeptoren für verschiedene Farbbereiche. Dafür sind sie viel lichtempfindlicher als die Zapfen. Ihre Aufgaben liegen in der Kontrastverstärkung und dem Sehen bei Dunkelheit (Nachtsehen) oder bei wenig Licht (Dämmerungssehen).

Nachtsehen

Das kann man selber testen, in dem man versucht nachts bei klarem Himmel einen kleinen und gerade noch erkennbaren Stern zu fixieren. Man wird feststellen, dass der Stern besser zu sehen ist, wenn man leicht an ihm vorbei schaut

Reizweiterleitung in der Netzhaut

In der Netzhaut sind hauptsächlich 4 verschiedene Zelltypen für die Weiterleitung des Lichtreizes verantwortlich.
Das Signal wird dabei nicht nur vertikal (von den äußeren Netzhautschichten Richtung innere Netzhautschichten) weitergeleitet, sondern auch horizontal. Für die horizontale Weiterleitung sind die Horizontal- und Amakrinzellen zuständig, für die vertikale die Bipolarzellen. Dabei beeinflussen sich die Zellen gegenseitig und verändern dadurch das ursprüngliche Signal, welches durch die Zapfen und Stäbchen initiiert wurde.

In der innersten Nervenzellschicht der Netzhaut befinden sich die Ganglienzellen. Die Zellfortsätze der Ganglien ziehen dann zum blinden Fleck, wo sie sich zum Sehnerv (Nervus opticus) bündeln und das Auge verlassen, um in das Gehirn einzutreten.
Am blinden Fleck (jeweils einer an jedem Auge), also dem Beginn des Sehnerven, befinden sich daher verständlicherweise keine Zäpfchen und Stäbchen und es findet auch keine visuelle Wahrnehmung statt. Seine eigenen blinden Flecken kann man übrigens leicht ausfindig machen:

Blinder Punkt

Man halte sich das eine Auge mit der Hand zu (da das zweite Auge sonst den blinden Fleck des anderen Auges ausgleichen würde), fixiere mit dem nicht verdeckten Auge ein Gegenstand (beispielsweise eine Uhr an der Wand) und bewege jetzt langsam in gleicher Augenhöhe den freien ausgestreckten Arm mit gehobenen Daumen horizontal nach rechts und nach links. Wenn man alles richtig gemacht hat und mit dem Auge auch wirklich einen Gegenstand fixiert hat, dann sollte man einen Punkt finden (etwas seitlich vom Auge), bei dem der erhobene Daumen anscheinend verschwindet. Dies ist der blinde Punkt.

 

Übrigens: Nicht nur Licht kann eine Signalentstehung in den Zäpfchen und Stäbchen verursachen. Ein Schlag aufs Auge oder starkes Reiben löst ähnlich dem Licht einen entsprechenden elektrischen Impuls aus. Jedem, der sich die Augen schon mal gerieben hat, sind sicherlich auch die hellen Muster aufgefallen, die man dann zu sehen meint.

Sehbahn und Fortleitung ins Gehirn

Nachdem sich die Nervenfortsätze der Ganglienzellen zum Sehnerv (Nervus opticus) gebündelt haben, ziehen sie gemeinsam durch ein Loch in der Hinterwand der Augenhöhle (Canalis opticus).
Dahinter treffen die beiden Sehnerven im Chiasma opticum aufeinander. Ein Teil der Nerven kreuzt (die Fasern der medialen Netzhauthälfte) auf die andere Seite, ein anderer wechselt die Seite nicht (die Fasern der lateralen Netzhauthälfte). Dadurch ist gewährleistet, dass die Seheindrücke einer kompletten Gesichtshälfte auf die andere Gehirnseite verschaltet werden.
Bevor im Corpus geniculatum laterale, einem Teil des Thalamus, die Fasern auf eine weitere Nervenzelle umgeschaltet werden, zweigen einige Sehnervfasern zu tieferliegenden Reflexzentren im Hirnstamm ab.
Die Untersuchung der Augenreflexfunktion ist daher unter Umständen sehr hilfreich, wenn man die geschädigte Stelle auf dem Weg vom Auge ins Gehirn ausfindig machen möchte.
Hinter dem Corpus geniculatum laterale geht es dann über Nervenstränge in die primäre Sehrinde weiter, die zusammengefasst als Sehstrahlung bezeichnet werden.
Dort werden die visuellen Impulse zum ersten Mal bewusst wahrgenommen. Es erfolgt aber noch keine Interpretation bzw. Zuordnung. Die primäre Sehrinde ist retinotopisch geordnet. Das heißt, ein ganz bestimmtes Areal in der Sehrinde entspricht einem ganz bestimmten Ort auf der Netzhaut.
Der Ort des schärfsten Sehens (Fovea centralis) ist auf ungefähr 4/5 der primären Sehrinde repräsentiert. Fasern aus der primären Sehrinde ziehen hauptsächlich in die sekundäre Sehrinde, die wie ein Hufeisen um die primäre Sehrinde angelegt ist. Hier findet nun endlich die Interpretation des Wahrgenommenen statt. Die erhaltene Information wird mit Information aus anderen Gehirnbereichen abgeglichen. Aus der sekundären Sehrinde ziehen Nervenfaser praktisch in alle Gehirnregionen. Und so entsteht nach und nach ein Gesamteindruck des Gesehenen, in dem nun viele weitere Informationen wie beispielsweise die Entfernung, Bewegung und vor allem die Zuordnung, um welche Art von Objekt es sich handelt, einfließen.

Um die sekundäre Sehrinde befinden sich weitere visuelle Rindenfelder, die nicht mehr retinotopisch geordnet sind und sehr spezifische Funktionen übernehmen. Zum Beispiel gibt es Bereiche, die das visuell Wahrgenommene mit der Sprache verbinden, die entsprechende Reaktionen des Körpers vorbereiten und berechnen (z.B. „fang den Ball!“) oder Gesehenes als Erinnerung abspeichern.
Mehr Informationen zu diesem Thema finden Sie auch unter: Sehbahn

Betrachtungsart der visuellen Wahrnehmung

Grundsätzlich kann man den Vorgang „Sehen“ aus verschiedenen Blickwinkeln betrachten und beschreiben. Die oben beschriebene Sichtweise ist aus neurobiologischer Sicht geschehen.

Eine weiterer interessanter Blickwinkel ist die psychologische Sichtweise. Diese unterteilt den Sehvorgang in 4 Stufen.

Die erste Stufe (Physikalisch-chemische Stufe) und zweite Stufe (Physische Stufe) beschreiben mehr oder weniger ähnlich die visuelle Wahrnehmung in neurobiologischen Kontext.
Die physikalisch-chemische Stufe bezieht sich dabei mehr auf die einzelnen Prozesse und Reaktionen, die an einer Zelle ablaufen und die physische Stufe fasst diese Ereignisse in ihrer Gesamtheit zusammen und betrachtet den Ablauf, Zusammenspiel und Ergebnis aller Einzelprozesse.

Die dritte (psychische Stufe) versucht das Wahrnehmungsereignis zu beschreiben. Dies ist insofern nicht ganz einfach, da man das visuell Erlebte weder energetisch noch räumlich fassen kann.
Anders ausgedrückt, das Gehirn „erfindet“ eine neue Vorstellung. Eine Vorstellung auf der Basis des visuell Wahrgenommenen, die nur im Bewusstsein desjenigen existiert, der visuell erlebt hat. Es ist bis heute nicht gelungen, solche Wahrnehmungserlebnisse mit rein physikalischen Prozessen, wie beispielsweise elektrische Gehirnströme zu erklären.
Aus neurobiologischer Sicht kann man aber davon ausgehen, dass ein Großteil des Wahrnehmungserlebnis in der primären Sehrinde stattfindet. Auf der vierten Stufe findet dann die kognitive Verarbeitung der Wahrnehmung statt. Die einfachste Form davon ist das Erkennen. Dies ist ein wichtiger Unterschied zur Wahrnehmung, denn hier findet eine erste Zuordnung statt.

Anhand eines Beispiels soll die Verarbeitung des Wahrgenommenen auf dieser Stufe verdeutlicht werden:
Man gehe davon aus, dass eine Person ein Bild anschaut. Nachdem nun das Bild bewußt geworden ist, beginnt die kognitive Verarbeitung. Die kognitive Verarbeitung lässt sich in drei Arbeitsschritte unterteilen. Zunächst findet eine Globalauswertung statt.
Das Bild wird analysiert und Objekte werden kategorisiert (beispielsweise 2 Personen im Vordergrund, ein Feld im Hintergrund).
So entsteht zunächst ein Gesamteindruck. Gleichzeitig handelt es sich hier auch um einen Lernprozess. Denn durch das visuelle Erleben werden Erfahrungen gesammelt und den gesehenen Dingen werden Prioritäten zugeteilt, die sich nach entsprechenden Kriterien (z.B. Wichtigkeit, Relevanz zur Problemlösung, etc.) richten.
Bei einer neuen ähnlichen visuellen Wahrnehmung kann dann auf diese Information zurückgegriffen werden und eine Verarbeitung kann wesentlich schneller ablaufen. Dann geht es zur Detailauswertung über. Nach einer erneuten und genaueren Betrachtung und Abtastung der Objekte auf dem Bild, geht die Person dazu über, die hervorstechenden Objekte zu analysieren (beispielsweise Erkennen der Personen (Pärchen), Handlung (halten sich im Arm)).
Im letzten Schritt kommt die elaborative Auswertung. Es wird ein sogenanntes mentales Modell entwickelt ähnlich einer Vorstellung, in die nun aber auch Information aus anderen Gehirnbereichen einfließen, zum Beispiel Erinnerungen, an die im Bild erkannten Personen.
Da nun neben dem visuellen Wahrnehmungssystem sehr viele andere Systeme ihren Einfluss auf ein solches mentales Modell ausüben, muss die Auswertung als sehr individuell angesehen werden.
Jede Person wird auf Grund von Erfahrungen und Lernprozessen in anderer Weise das Bild auswerten und sich entsprechend auf bestimmte Details konzentrieren und andere dagegen ausblenden.
Ein interessanter Aspekt in diesem Zusammenhang ist moderne Kunst:
Man stelle sich ein einfaches weißes Bild vor, auf dem nur ein roter Farbklecks existiert. Man kann davon ausgehen, dass der Farbklecks als einziges Detail die Aufmerksamkeit aller Betrachter auf sich ziehen wird, unabhängig von Erfahrungen oder Lernprozessen.
Der Interpretation dagegen ist freier Lauf gelassen. Und auch bei der Frage, ob es sich hierbei um höhere Kunst handelt, lässt sich sicherlich keine allgemeine Antwort finden, die auf alle Betrachter zutreffen würde.

Unterschiede zur Tierwelt

Die oben beschriebene Art des Sehens bezieht sich auf die visuelle Wahrnehmung von Menschen.
Neurobiologisch unterscheidet sich diese Form kaum von Wahrnehmung bei Wirbel- und Weichtieren.
Insekten und Krebse dagegen besitzen sogenannte Facettenaugen. Diese bestehen aus ca. 5000 Einzelaugen (Ommatiden), die jeweils eigene Sinneszellen besitzen.
Dadurch ist der Blickwinkel zwar wesentlich größer, andererseits ist die Auflösung des Bildes sehr viel geringer als beim menschlichen Auge.
Daher müssen fliegende Insekten auch viel näher an gesehene Objekte ranfliegen (z.B. Kuchen auf dem Tisch), um diese zu erkennen und einzuordnen.
Auch die Farbwahrnehmung ist anders. Bienen können ultraviolettes Licht, aber dafür kein rotes Licht wahrnehmen. Klapperschlangen und Grubenotter haben ein Wärmestrahlenauge (Grubenorgan), mit dem sie infrarotes Licht (Wärmestrahlung) wie Körperwärme sehen. Dies ist wahrscheinlich auch bei Nachtschmetterlingen der Fall.

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Qualitätssicherung durch: Dr. Nicolas Gumpert      |     Letzte Änderung: 03.11.2017
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