Optische Täuschung – Wie es dazu kommt…

Warum sieht man am Übergang zwischen den grauen Streifen jeweils einen dunkleren und einen helleren Streifen?

Benannt ist dieses Kontrastphänomen nach seinem Entdecker, dem Physiker Ernst Mach im Jahr 1865. Der Grund für diese optische Täuschung ist die „laterale Hemmung“! Bei dieser handelt es sich um Verschaltungen von Nervenzellen, die zum Beispiel im Auge dazu führen, dass Kontraste (schwarz-weiß) verstärkt werden.

Zum Hintergrund

In der Netzhaut des Auges, der Retina, befinden sich die Lichtsinneszellen: Stäbchen und Zapfen. Sie sind Photorezeptoren, die unterschiedliche Wellenlängen des Lichts aufnehmen können. Die Stäbchen sind verantwortlich für das Schwarz-Weiß-Sehen und die Zapfen für das Sehen von Farben. Es gibt drei verschiedene Typen von Zapfen, die unterschiedliche Wellenlängen des Lichts aufnehmen können: rot (570 nm), grün (535 nm) und blau (455 nm).

Darstellung des Auges mit Sitz der Stäbchen und Zäpfchen in der Netzhaut.

Achtung, jetzt wird es etwas wissenschaftlich…Wenn ein Photorezeptor (Stäbchen und Zapfen) auf der Netzhaut durch einen Lichtreiz erregt wird, entsteht ein elektrisches Potenzial. Dieses wird von den Dendriten (dünne Fortsätze) der nachgeschalteten Nervenzelle bis zum Axonhügel weitergeleitet (siehe Abbildung unten). Dort werden die elektrischen Potenziale gesammelt, bis eine bestimmte Potenzialschwelle überschritten wird und ein Aktionspotenzial entsteht. Dieses elektrische Signal wird über das Axon bis zu seinem Ende, der Synapse, weitergeleitet und dort in einen chemischen Impuls umgewandelt, das heißt, dass chemische Botenstoffe (Neurotransmitter) ausgeschüttet werden und durch den synaptischen Spalt zu den Dendriten der nächsten Nervenzelle wandern. Dort wird erneut ein elektrischer Impuls, ein Aktionspotenzial, ausgelöst. Der Reiz wird auf diese Weise von Nervenzelle zu Nervenzelle weitergeleitet.

Darstellung einer Nervenzelle mit Weiterleitung elektrischer Reize.

Die laterale Hemmung und Kontrastverstärkung

Vereinfacht gesagt, Photorezeptoren (Stäbchen und Zapfen) können unterschiedlich stark durch Licht erregt werden. Verschiedene Nervenzellen leiten die Information dann über ein komplexes Verschaltungsnetzwerk zum Gehirn weiter. Dabei sind die Stäbchen und Zapfen aber zusätzlich über hemmende Interneurone (Nervenzellen, die zwischen zwei oder mehrere Nervenzellen geschaltet sind) seitlichen miteinander verschaltet, die die benachbarten Lichtsinneszellen hemmen (laterale Hemmung). Das heißt, diese Interneurone wandeln ein erregendes Signal mittels Neurotransmitter in ein hemmendes fortführendes Signal um; der weitergeleitete Reiz wird somit abgeschwächt. Neben den hemmenden, gibt es übrigens auch erregende Einflüsse, aber darauf möchte ich an dieser Stelle nicht weiter eingehen…Das klang jetzt vielleicht etwas kompliziert, aber das Prinzip lässt sich kurz zusammenfassen:

Je stärker der Lichtreiz, desto stärker auch der Effekt der hemmenden Interneurone. Durch das Summieren erregender und hemmender Einflüsse auf das zweite Neuron kommt es zu einer Herausbildung von Gestaltungsgrenzen, also einer Kontrastverstärkung.

Erklärung der Machschen Bänder

Bei einer höheren Lichtintensität, also einem stärkeren Reiz, werden mehr Aktionspotenziale pro Sekunde über das Axon weitergeleitet! In der Abbildung (unten) ist die Lichtintensität links am geringsten (dunkelgrauer Streifen), während sie nach rechts zunimmt (heller werdende Streifen). Beim Blick auf den dunkelgrauen Streifen werden also nur wenige Aktionspotenziale (geringer Lichtreiz) erzeugt, während es nach rechts hin immer mehr werden:

* Für die Angabe der Anzahl der Aktionspotenziale pro Sekunde wurde eine fiktive Zahl gewählt, um das Prinzip der Hemmung besser erklären zu können.

Für alle, die es ganz genau wissen wollen…

Nehmen wir an, dass jeweils eine gegenseitige Hemmung der Photorezeptoren um 10 Prozent erfolgt, dann werden die 50 Aktionspotenziale (APs), ausgelöst durch den Lichtreiz auf Photorezeptor „C“, von den hemmenden Interneuronen der benachbarten Photorezeptoren „B“ um „-5“ und „D“ um „-10“ gehemmt. Das Ergebnis: Statt 50 APs werden nur 35 APs an das Gehirn weitergeleitet. Das Signal ist im Vergleich zu den benachbarten Rezeptoren „B“ und „D“ geringer = Wahrnehmung eines dunkleren Streifens (Machsches Band).

Betrachten wir nun den Photorezptor „D“. Hier wird ein höherer Lichtreiz als bei Photorezptor „B“ empfangen. 100 APs pro Sekunde entstehen und werden von den hemmenden Interneuronen der benachbarten Photorezeptoren „C“ um „-5“ und „E“ um „-10“ gehemmt. Das Ergebnis: Statt 100 APs werden nur 85 APs an das Gehirn weitergeleitet. Das Signal ist im Vergleich zu den benachbarten Rezeptoren „C“ und „D“ höher = Wahrnehmung eines helleren Streifens (Machsches Band).

Als Anregung für den Schulunterricht möchten wir Sie hier gerne auf unsere Experimente im Bereich der Neurobiologie hinweisen, um die Eigenschaften von Nervenzellen verständlich zu demonstrieren. Die hier beschriebenen Aktionspotenziale sowie die laterale Hemmung und Kontrastverstärkung können mit diesen Versuchen dargestellt und einfach nachvollzogen werden:

Mit unserem Cobra 4 Xpert-Link, einem Messgerät für hochaufgelöste Messungen, können die Werte digital erfasst, aufgezeichnet und mit der kostenlosen Mess- und Datenanalysesoftware measureLAB 3 auf dem PC, Laptop oder an der digitalen Tafel mittels Touch-Funktion ausgewertet werden. Das flexible Kacheldesign, das sich mittels Drag & Drop individuell anpassen lässt, erlaubt eine intuitive Bedienung der Software. Spezielle Auswertungen können sogar während laufender Messungen durchgeführt werden.

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