Wie sich Mensch und Tier in der Welt zurechtfinden

Der Tübinger Neurowissenschaftler Prof. Hanspeter Mallot untersucht das Ortsgedächtnis des Menschen mit Verhaltensexperimenten in einer virtuellen Stadt und überprüft die an Lebewesen gewonnenen Erkenntnisse mit Robotern, denen die nötigen Fähigkeiten zur Lösung von Orientierungsaufgaben einprogrammiert werden.

Wenn ein Eichelhäher im Winter seine an verschiedenen Stellen im Boden versteckten Futtervorräte verzehren möchte oder ein Mensch in einer nur vage bekannten Stadt versucht, den Bahnhof wiederzufinden, dann ist die räumliche Orientierung gefragt. Mensch oder Tier müssen dabei zunächst Informationen über die räumliche Struktur aufnehmen, sich zum Beispiel auffällige Punkte der Umgebung, so genannte Landmarken, merken. Wenn dies gelingt, können sie die Informationen bei Bedarf in eine Orientierungsstrategie umsetzen und auch Abkürzungen von einem bekannten Punkt zu einem anderen konstruieren. Wie die räumlichen Strukturen im Gehirn abgebildet und bei der Umsetzung genutzt werden, erforscht Prof. Hanspeter Mallot mit seiner Arbeitsgruppe von den Kognitiven Neurowissenschaften des Zoologischen Instituts der Universität Tübingen. Dabei wird die Orientierung mit Verhaltensversuchen am Menschen und – in Zukunft – der Ratte untersucht. Außerdem wird an Robotern geprüft, ob sich die gewonnenen Erkenntnisse zum Ortsgedächtnis in ein technisch funktionierendes System umsetzen lassen.

„Natürlich gibt es viele Beispiele für kognitive Leistungen, nicht nur die räumliche Orientierung. Aber im Unterschied etwa zur Sprachfähigkeit ist das Ortsgedächtnis im Tierreich sehr weit verbreitet und wir hoffen, auf diesem Wege sozusagen an den Ursprung von Kognition, die ganz grundlegenden Strukturen, nahe heran zu kommen“, erklärt Mallot. Im Mittelpunkt der Forschung stehen zur Zeit Experimente zur Navigation und Orientierung beim Menschen. Dafür haben die Neurowissenschaftler eine virtuelle Stadt namens Hexatown konstruiert, die in einer Wabenstruktur aufgebaut ist. „Das ist zwar für die Versuchspersonen recht ungewohnt, für die Auswertung aber sehr günstig“, so Mallot. An den Ecken der Waben stehen jeweils markante, immer unterschiedliche Häuser, die lokale Landmarken darstellen. Außerdem gibt es so genannte globale, im Überblick sichtbare Landmarken wie eine Bergsilhouette in der Ferne. „Die Versuchsperson trägt eine besondere Brille, mit der sich die Kopfposition und Blickrichtung in einer Computergrafik in einer dreidimensionalen Umgebung darstellen lässt“, erklärt der Wissenschaftler. „Wie die Versuchspersonen Orientierungsaufgaben in der virtuellen Stadt lösen, wird letztlich auch nur wieder über das Verhalten offenbar.“ Solch komplexe Kognitionsleistungen zu kontrollieren sei, so Mallot, ohne den Bereich der virtuellen Realität vor zehn Jahren noch gar nicht möglich gewesen.

Die Versuchspersonen sollen sich im Experiment eine bestimmte Route durch Hexatown merken. Die Forscher drehen anschließend die Stadt relativ zu den globalen Landmarken und stellen fest, was die Versuchspersonen tun. „Offenbar folgen einige den globalen, andere den lokalen Landmarken, das ist nicht eindeutig“, berichtet Mallot. Wenn entweder alle globalen oder alle lokalen Landmarken entfernt werden, kommen die Versuchspersonen auch mit der jeweils anderen Art von Landmarken aus. „Das heißt, die Versuchspersonen haben beide Arten von Informationen gespeichert. Im ’Konfliktfall’ merken sie noch nicht einmal, dass was faul ist“, fasst der Forscher zusammen. Daraus lassen sich Rückschlüsse ziehen: Selbst wenn sich die inneren Anweisungen „gehe am roten Haus links“ und „gehe Richtung Kirchturm“ widersprechen, wird die Repräsentation im Gehirn nicht auf Widersprüche geprüft. „In Zukunft wollen wir auch die Augenbewegungen der Versuchspersonen erfassen, falls diese doch unbewusst nach Landmarken suchen, die vielleicht nicht oder nicht dort vorhanden sind“, sagt Mallot.

Werden die Landmarken an den Wabenecken vertauscht, zum Beispiel ein blaues gegen ein rotes Haus ausgewechselt, gehen die Versuchspersonen falsch, wenn sie bisher etwa am roten Haus links gehen mussten und jetzt eigentlich rechts. Das Routenwissen, schließt Mallot daraus, setzt sich aus isolierten Infostückchen zusammen. „Die Menschen erinnern sich nicht an einen Platz als solchen, sondern an einzelne Landmarken.“ Als Landmarken müssen grundsätzlich dauerhafte Objekte ausgesucht werden. Denn Menschen sind zwar in der Lage, Änderungen wie zum Beispiel jahreszeitliche Schwankungen oder die veränderte Beleuchtung zu unterschiedlichen Tageszeiten zu berücksichtigen, aber ein offen stehendes Fenster oder eine vorbeilaufende Katze würden sich nicht als Landmarken eignen. Kinder müssen die sinnvolle Auswahl der Landmarken erst lernen und verlaufen sich daher häufiger.

Der Forscher unterscheidet zwei Arten von Gedächtnis: beim Routengedächtnis merken sich die Menschen Anweisungen wie „am grünen Haus rechts abbiegen“ oder „am Museum links“. Daneben, so hat sich gezeigt, besitzen sie aber auch ein so genanntes deklaratives Gedächtnis, mit dem sie sich nicht die Bewegungen in Richtung eines Ziels merken, sondern sich abhängig vom Ziel orientieren. Ein Ortsgedächtnis stellten sich viele Menschen so vor, dass man ein Blatt Papier vor sich hat und wie auf einer Landkarte alle Punkte einträgt, die man kennt. Doch es sei eher wie ein Graph-Netzwerk zu beschreiben, in dem die Landmarken enthalten sind, die wir erinnern, und Informationen, wie man von einem solcher Punkte zu einem anderen kommt. „Ein Weg ist eigentlich eine Kette von Landmarken – was man sich vielleicht am besten so vorstellen kann wie einen U-Bahn-Plan. Darin sind auch Distanzen und Winkel bis zu einem gewissen Grad repräsentiert“, erläutert Mallot. Solche Pläne entstünden aus einer Wechselwirkung zwischen der Eigenbewegungs- und der Landmarkeninformation. „In manchen Versuchen ist es daher wichtig, dass die Versuchspersonen selbst herumlaufen können, sich also nicht nur virtuell, sondern physikalisch bewegen.“

Einen anderen Ansatz des Projekts zur Orientierungsforschung verfolgen drei Doktoranden von Mallot: Sie arbeiten mit Robotern. Dahinter steht die Idee, die bei Lebewesen erstellten Theorien zum Ortsgedächtnis mit Hilfe der Technik zu überprüfen. Ist ein Roboter mit dem installierten Wissen und den programmierten Fähigkeiten in der Lage zu navigieren? „Zur Überprüfung muss man schließlich – wie beim Menschen – Verhaltensexperimente machen“, erklärt Mallot. Die Roboter haben jedoch ein eigenes Verfahren, um einen bestimmten Ort wieder zu erkennen. „Sie gehen nach einem ’Schnappschussverfahren’ vor. Der Roboter nimmt immer wieder Rundumfotos von verschiedenen Positionen auf. Wenn er sich bewegt, vergleicht er immer wieder die gespeicherten Bilder mit den aktuell sichtbaren“, sagt der Forscher. Der Roboter kennt also keine Landmarken, sondern nur Bilder.

„Wir wollen keine besseren Roboter konstruieren, sondern sozusagen mit der Methode Roboter die Synthese unserer Erkenntnisse überprüfen“, so Mallot. Natürlich sei nicht ausgeschlossen, dass bei ihren Entwicklungen dennoch Ideen für die Industrierobotik abfallen. Mit den Technikwesen will Mallot auch klären, wie Strecken optimiert werden können. „Den meisten Menschen fällt dazu die Frage ein: Wie komme ich von A nach B? Aber es geht zum Beispiel auch um das Problem mit dem Einkaufszettel in der Hand 17 Läden in einem optimalen Parcours abzuklappern. Probleme im Tierreich sind etwa bei der Platzwahl für den Nestbau der Vögel ähnlich gelagert“, sagt er. (7202 Zeichen)

Nähere Informationen:

Prof. Hanspeter Mallot
Zoologisches Institut
Kognitive Neurowissenschaften
Auf der Morgenstelle 28
72076 Tübingen
Tel. 07071-2978830
Fax 07071-292891
e-mail: hanspeter.mallot@uni-tuebingen.de