Hoe werkt visuele perceptie? - Chapter 3

Hoe werkt visuele waarneming?

Zicht of visuele waarneming begint met licht. Licht wordt door meerdere dingen in onze omgeving geproduceerd (de zon, lampen, kaarsen). Dit licht weerkaatst vervolgens op andere objecten en wordt gereflecteerd. Een deel van licht wat gereflecteerd wordt, gaat door de cornea en de lens en bereikt de retina, het netvlies.

Het netvlies (de retina) is een stuk weefsel dat erg gevoelig is voor licht. Het netvlies bevindt zich aan de achterkant van de oogbal. De cornea en lens zorgen ervoor dat het licht dat binnenkomt wordt 'versmald', waardoor er een scherp plaatje (een focus) op de retina komt. Om de lens heen zitten allemaal spieren, die door middel van bewegingen zorgen voor scherpte. Als de lensspieren aanspannen, is zicht dichterbij beter en als de lensspieren ontspannen is zicht voor dingen die verder weg zijn, beter. Binnen de retina bevinden zich ook twee soorten fotoreceptoren. Dit zijn neurale cellen die direct reageren op licht dat binnenkomt. Het ene type fotoreceptoren zijn de staafjes (rods). Deze staafjes zijn kleurenblind, gevoelig voor lage hoeveelheden licht en onderscheiden verschillende lichtintensiteiten. Het andere type fotoreceptoren zijn kegels (cones). Kegels zijn minder gevoelig dan staafjes en hebben meer licht nodig om te functioneren. Kegels zijn daarnaast gevoelig voor het waarnemen van verschillen in kleur. Er zijn drie soorten kegels die elk een verschillende gevoeligheid hebben voor golflengtes (kleuren). Naast kleur zijn de kegels ook belangrijk om detail waar te nemen, wat ook wel scherpheid (acuity) wordt genoemd. Dit verklaart het feit dat we onze ogen richten op datgene dat we beter willen zien. Door het richten van onze ogen komt er namelijk een figuur op onze fovea (het midden van de retina). Dit is de plek waar zich de meeste kegels bevinden en waar zicht dus het scherpst is. De staafjes bevinden zich meer aan de zijkanten van de ogen, wat weer verklaart waarom we dimlicht beter kunnen zien vanuit onze ooghoeken.

Laterale inhibitie

De staafjes en kegels sturen niet direct de informatie naar de cortex. In plaats daarvan wordt informatie eerst naar bipolaire cellen gestuurd, die uiteindelijk de ganglion cellen activeren. De ganglion cellen zitten verspreid over de gehele retina. De axonen van deze cellen zijn samengevoegd in een bundel die de optische zenuw wordt genoemd. Deze zenuw draagt de informatie naar verschillende delen van de hersenen. Allereerst wordt het naar een gebied in de thalamus gestuurd, genaamd laterale geniculate nucleus (LGN). Na dit gebied komt het pas in de occipitale kwab.

De optische zenuw is niet een kabel die het oog met de hersenen verbindt. De cellen die de retina met de hersenen verbinden zijn de visuele input al aan het analyseren. Dit heet 'laterale inhibitie' en houdt in dat cellen, wanneer ze geactiveerd zijn, naburige, laterale cellen inhiberen (remmen). Laterale inhibitie zorgt ook voor randverbetering. Dit houdt in dat neuronen in het visuele systeem sterkere reacties vertonen in de hoeken van oppervlakten. De contrasten aan de randen van een figuur worden bijvoorbeeld sterker waargenomen. Dit is belangrijk omdat de vorm van hetgeen dat je ziet, al veel vertelt over het object.

Hoe werkt visueel coderen?

Enkele-cel opname

Enkele-cel opname is een techniek die veel kennis heeft opgeleverd over het visuele systeem van mensen. Dit is een procedure waarbij onderzoekers de elektrische veranderingen binnen een neuron moment tot moment kunnen zien en opnemen. Hierbij kijken ze dan vooral naar de frequentie van het vuren van een enkele neuron. Hiermee kan het receptieve veld van een cel worden bepaald. 

Een voorbeeld van het gebruik van een enkele-cel opname is als volgt. Een dier wordt verlamd en vervolgens worden er elektroden geplaatst nét buiten een neuron binnen de optische zenuw van het dier. Vervolgens kijkt het dier naar een computerscherm waarop verschillende patronen worden weergegeven (cirkels, lijnen, hoeken). Onderzoekers kunnen dan kijken naar welke patronen er voor zorgen dat specifieke neuron gaat vuren. Zo wordt er dus bepaald op welke visuele input de neuron reageert. In andere woorden, er wordt bepaald wat het receptieve veld is van een cel. Het receptieve veld bevat de input in de visuele wereld waar de cel op reageert.

Meerdere receptieve velden

Verschillende cellen hebben verschillende vuringspatronen. Sommige cellen (center-surround cellen) vuren maximaal wanneer licht als een soort zaklamp op een specifiek gebied komt. Andere cellen (randdetectorcellen) vuren pas maximaal wanneer een figuur met een specifieke rand in zicht komt. Sommige cellen vuren bijvoorbeeld wanneer er iets met een horizontale rand wordt gedetecteerd en andere vuren bij verticale randen. Het is belangrijk om te onthouden dat cellen verschillende voorkeuren hebben. Ze vuren ook bij meerdere soorten randen, maar reageren het sterkst op een rand die hun voorkeur heeft. Hoe verder weg van de voorkeur van de cel, hoe zwakker ook het vuren. Er zijn ook cellen (bewegingdetectorcellen) die sterk vuren wanneer een object beweegt. Deze cellen hebben dan onderling ook weer een voorkeur voor specifieke bewegingen.

Parallelle processen

Onze visuele waarneming berust op het "verdeel en heers” principe, wat inhoudt dat verschillende typen cellen zich in verschillende onderdelen van de cortex bevinden en zich specialiseren in een specifiek type van analyse. Dit komt vooral naar voren in Gebied V1, wat zich bevindt in de occipitale kwab. Hier komen de axonen van de corpus geniculatum lateral (LGN), het gebied voor de waarneming van visuele informatie, voor het eerst aan. In dit gebied vuren sommige cellen horizontaal en andere verticaal. Alle cellen samen zorgen er voor dat er op elk onderdeel van de stimulus wordt gereageerd en de stimulus wordt waargenomen. Dit gebeurt ook in andere hersengebieden. Het is belangrijk om te onthouden dat elk hersengebied (ook binnen een specifieke kwab) een bepaalde functie heeft. In gebied A4 zijn de cellen gespecialiseerd in het detecteren van vormen en het gebied MT is gespecialiseerd in het decteren van beweging. Deze gebieden zijn allemaal tegelijk actief en daarom wordt dit parallelle verwerking genoemd. 

De kegels en staafjes zijn dus ook een voorbeeld van parallelle verwerking, omdat beide receptoren tegelijk functioneren. In de optische zenuw is dit ook het geval. Hier heb je twee typen cellen: P cellen en M cellen. De P cellen zorgen voor de input naar de parvocellulaire cellen in de LGN en zijn gespecialiseerd in de verwerking van ruimte en vorm. De M cellen zorgen voor de input naar de magnocellulaire cellen in de LGN en zijn gespecialiseerd in de verwerking van beweging en diepte.

Een bepaald deel van activatie in de occipitale kwab zorgt ook voor activatie in de cortex van de temporale kwab. Dit pad heet het "wat-systeem", omdat het belangrijk is voor het herkennen van objecten. Daarnaast leidt activatie in de occipitale kwab ook tot activatie in pariëtaal kwab, dit pad wordt het "waar-systeem" genoemd. Dit pad zorgt er namelijk voor dat men ziet wáár een object zich bevindt. 

Er zijn dus meerdere hersengebieden die tegelijkertijd actief zijn en elk andere elementen van de visuele wereld verwerken. De vraag is hoe al deze verschillende elementen leiden tot één duidelijk beeld. Onderzoekers noemen dit het 'bindingsprobleem'.

Visuele mappen en synchronie

Het visuele systeem registreert kleuren, maar ook vormen. Als jij bijvoorbeeld een koffiemok bekijkt, zie je zowel kleuren als vormen. Hoe zorgen je hersenen er voor dat jij de koffiemok als een koffiemok ziet, en niet als aparte vormen en kleuren? Er is veel discussie over dit onderwerp, maar grofweg zijn er drie antwoorden:

• Spatiële positie: Het gedeelte van de hersenen die de vorm identificeren is een ander gedeelte dan de gedeelten die kleur en beweging verwerken. Wat alle hersengebieden in overeenkomst hebben is dat elk bijhoudt waar een object is, waar de vorm is, waar de kleur is en waar de beweging is.
• Neurale synchronisatie: Onze hersenen gebruiken een speciaal ritme om te identificeren welke sensorische elementen waar horen. Er is bewijs dat door middel van neurale synchronisatie de hersenen verschillende attributen samenvoegen tot een object. Dit gebeurt doordat verschillende neuronen in de verschillende gebieden om hetzelfde moment ‘vuren’. Het samen vuren creëert synchronisatie, waardoor verschillende aspecten samen geregistreerd worden en samen worden waargenomen.
• Conjunctiefout: Dit is het correct detecteren van verschillende elementen van een visuele display, maar fouten maken in het in samenvoegen van deze elementen. Dit komt vooral voor bij individuen die problemen hebben met hun concentratie.

De perceptie van vormen

Gestaltpsychologen stellen dat het geheel anders is dan de optelling van delen. Een voorbeeld hiervan is de Necker Cube. Dit is een tekening die ook wel een omgekeerd figuur heet. Deze kan op het ene moment op een bepaalde manier gezien worden en op het andere moment op een andere manier. De verschillende percepties van zo’n figuur hangen af van welke informatie je hersenen krijgen vanuit je ogen. Aan de andere kant zijn de lijnen die op papier getekend zijn compleet neutraal en geven deze niet aan op welke manier je deze moet interpreteren. Dit laat zien dat je perceptie van iets niet hetzelfde hoeft te zijn als wat er op papier staat. Een ander voorbeeld hiervan is figuur/grond organisatie, dit zijn figuren waarbij er een wit object tegen een zwarte achtergrond staat en waarbij je het figuur wederom op twee verschillende manier kan interpreteren.

De Gestalt principes

In de voorbeelden die net gegeven zijn, blijft het figuur constant ongeacht hoe jij het interpreteert. Alle veranderingen in perceptie komen dus door jouw interpretatie en niet door een verandering in het figuur. Vaak hebben we niet door dat figuren vaag zijn omdat onze interpretatie zo snel gaat dat we het niet door hebben. Al deze onderzoeken vertellen ons dat onze perceptie voorbij de gegeven informatie gaat.

Gestaltpsychologen stellen dat wij dit doen door twee simpele principes namelijk het principe van nabijheid (proximity) en het principe van gelijkenis (similarity). Mensen nemen objecten die dichtbij elkaar staan (proximity) of op elkaar lijken (similarity), waar als zijnde één object. 

Organisatie en kenmerken

Twee brede en belangrijke onderwerpen voor het herkennen van objecten zijn het detecteren van elementen van de stimulus en de manier waarop deze elementen worden georganiseerd. Het organiseren van elementen houdt in dat men eerst informatie over een stimulus krijgt (input). Wanneer men deze informatie heeft verzameld wordt deze informatie geanalyseerd eze informatie wordt de vorm is, de locatie en de inhoud bepaald. Dit houdt dus in dat perceptie kan worden ingedeeld in twee stappen: informatieverzameling en interpretatie. Ondanks dat dit logisch klinkt, is deze volgorde niet altijd van toepassing. In heel veel situaties is het namelijk zo dat je eerst gaat interpreteren wat er gebeurt en dan pas de elementen gaat categoriseren. In andere woorden, soms beïnvloedt iemand zijn of haar gedachten en verwachtingen of de context, de perceptie. 

Perceptuele constantie 

Een ander cruciaal aspect van perceptie is perceptuele constantie. Dit houdt in dat men de constante eigenschappen van objecten al waarneemt, terwijl de sensorische informatie die men over deze objecten heeft, verschilt. Als je bijvoorbeeld een object ver weg ziet dan is het object klein op je retina, maar als het dichterbij komt wordt het groter. Hoewel het dus op dat moment een andere grootte lijkt te hebben, ligt dat aan de afstand en niet aan het object (grootte constantie). Dit geldt ook voor de waarneming van vormen (vorm constantie). We weten wat voor vorm een object heeft ook al zien we het vanaf een andere hoek, net als dat we weten wat voor een helderheid een object heeft, ook al zien we het in een ander licht (helderheid constantie). 

Onbewuste inferentie

Deze vormen van constantie worden bereikt door het focussen op de relaties tussen de objecten met de achtergrond in plaats van het focussen op de objecten zelf. Dit is de reden dat je makkelijker de grootte van iets kan inschatten als je het vergelijkt met andere objecten. Een Duitse natuurkundige stelde dat er een omgekeerde relatie is tussen de afstand en de grootte van een figuur op de retina. Als een object dubbel zo ver is van de kijker dan is het op de retina dubbel zo klein. Als een object drie keer zo ver weg is, dan is het 3 keer zo klein. Omdat we ons niet bewust zijn van deze berekening noemde hij het onbewuste inferentie. Het vergelijken met andere elementen van de stimuli gebeurt ook bij vorm constantie en helderheid constantie.

Illusies

Het proces van het vergelijken van informatie is cruciaal voor het bereiken van constantie. Daarnaast toont het dat men niet zomaar informatie ontvangt, maar dat de informatie eerst wordt geïnterpreteerd. Illusies zijn het resultaat van misinterpretatie (van diepte).

Diepteperceptie

Diepteperceptie is afhankelijk van afstandsaanwijzingen. Dit zijn kenmerken van een stimulus die aantonen waar het object zich bevindt. De ogen verschillen van elkaar in waarneming. Het verschil tussen wat onze twee ogen zien wordt binoculaire ongelijkheid genoemd. Ook al hebben we geen aanwijzingen over de afstand van een object, door deze ongelijkheid kunnen ode ogen nog vrij veel diepte waarnemen. Daarnaast kunnen we ook al diepte zien als we één oog dicht houden. Dit komt door monoculaire afstandsaanwijzingen. Dit houdt in dat het oog zich aanpast om een object scherper waar te nemen (de lensspieren spannen zich aan als een object dichtbij is en ontspannen als het ver af staat). Andere aanwijzingen zijn picturale aanwijzingen, dit zijn aanwijzingen die picturaal (in plaatjes) verwerkt zijn. Een voorbeeld hiervan is interpositie, het blokkeren van een ander object door er een object voor te plaatsen. Daarnaast heb je nog het lineair perspectief (twee parallelle lijnen lijken naar elkaar toe te gaan naarmate ze verder weg in de verte gaan) en de textuur gradiënt (textuur lijkt te verminderen hoe verder weg een object is). Ook de beweging van objecten kunnen dienen als aanwijzingen. Zo lijken objecten in de verte vaak minder snel te bewegen dan objecten die dichtbij zijn, dit wordt de beweging parallax genoemd. Ten slotte is het zo dat een object groter wordt naarmate je dichterbij het object komt, wat ook wel de optische flow wordt genoemd.