Im Zentrum unseres gesamten Handelns und Erlebens als Lebewesen steht die physische Wahrnehmung, also die Fähigkeit Reize zu detektieren und zu verarbeiten. Sie fungiert dabei sowohl als „Fenster zur Außenwelt“, durch das wir Informationen aus und über unsere Umwelt zu erhalten, als auch als „Fenster zur Innenwelt“, das uns Informationen über uns selbst, bzw. über unseren Körper, seinen Zustand, seine Lage im Raum etc. zeigt.

Klassisch lässt sich die Wahrnehmung in drei Bereiche aufteilen, die Extero-, Intero- und Propriozeption, wobei die Grenzen zwischen diesen aber fließend sein können (vgl. [1] S. 529). Zum besseren Verständnis wollen wir diese Begriffe kurz definieren:
Exterozeption: Exterozeption beschreibt die Gesamtheit der „von außen kommenden“ Sinneseindrücke. Also die Wahrnehmung jener Reize, die Informationen über die Umgebung des Körpers, nicht aber den Körper selbst vermitteln. Geruch ist zum Beispiel ein exterozeptiver Reiz.
Interozeption: Als Interozeption bezeichnet man die Fähigkeit Veränderungen in den körpereigenen Systemen wahrzunehmen. Dies beinhaltet unter anderem Muskeln, Haut, Gelenke und die inneren Organe (vgl. [10] S. 1835). Hunger ist somit ein typischer interozeptiver Reiz.
Propriozeption: Die Fähigkeit des Körpers, seine relative Position, Lage und Bewegung im Raum, Kräfte und Beschleunigungen und seine Pose, also die Lage der Gliedmaßen zueinander, zu bestimmen bzw. wahrzunehmen, bezeichnen wir als Propriozeption (vgl. [2] S. 10). Ein typisches Beispiel für Propriozeption ist das Bewusstsein über unsere Kopfhaltung oder Armstellung. Da propriozeptive Reize auch aus dem Körperinneren kommen, wird die Propriozeption gelegentlich auch der Interozeption untergeordnet.
Für die Biomechanik, und unser Thema im Besonderen, spielt die Wahrnehmung von Körperpose und –bewegung und damit die Propriozeption offensichtlich eine herausragende Rolle. Wir wollen uns also im Folgenden noch ein bisschen genauer mit den beteiligten Wahrnehmungsorganen, bzw. Rezeptoren und Mechanismen befassen. Grundsätzlich können wir die beteiligten Sinne in zwei große Klassen aufteilen. Die Wahrnehmung visueller Reize durch die Augen und zugehörige Informationsverarbeitende Systeme, sowie die Wahrnehmung mechanischer Reize durch sogenannte Mechanorezeptoren. Je nach Veröffentlichung wird das visuelle System auch separat gefasst und mit Propriozeption nur die Mechanorezeption bezeichnet.

Das visuelle System lässt sich in seiner Gänze in diesem Rahmen natürlich nicht beschreiben, daher beschränken wir uns hier auf das Tiefen- und das Bewegungssehen als wichtigste Mechanismen der visuellen Bewegungswahrnehmung.

Der wahrscheinlich bekannteste Mechanismus des Räumlichen oder Tiefensehens ist das Stereoskopische Sehen auch Stereopsis (vgl. [5] S. 2-4; vgl. [6] S.1306). Also die Wahrnehmung von Tiefe durch das Sehen mit zwei Augen. Der Abstand eines Objekts wird hier durch die unterschiedliche Abbildung auf die Netzhaut beider Augen wahrgenommen. Dieser Mechanismus liegt z.B. der Funktion von VR-Brillen zugrunde.

Daneben gibt es auch noch weitere Hinweise auf Tiefe („Depth Cues“) die sich aus dem Bild ergeben und auch mit einem Auge wahrgenommen werden können (vgl. [5] S. 2; vgl. [6] S.1306). Typische Beispiele hierfür sind die relative Größe von Objekten im Bild, Verdeckungen und die Konvergenz eigentlich paralleler Linien, es gibt aber noch viele weitere. Diese Form von Tiefendarstellung spielt vor beispielsweise bei Bildern eine große Rolle.

Eng verwandt damit ist das Bewegungssehen, auch hier wird aus optischen Hinweisen im Sichtbereich („Motion Cues“) auf die eigentliche Information, also Bewegung, geschlossen. Verändern sich zum Beispiel die wahrgenommene Tiefe oder Position eines Objekts im Sichtbereich, so kann daraus gefolgert werden, dass eine Bewegung stattgefunden hat. Dieser Mechanismus erlaubt es uns beispielsweise Filme als bewegt wahrzunehmen. Hier spielt auch die sogenannte Bewegungsparallaxe eine Rolle, also der Effekt der sich bei Bewegungen ergibt, wenn zwei Objekte unterschiedlich weit entfernt sind. Hier scheint sich das weiter entfernte Objekt langsamer zu bewegen. Auch bestimmte Anordnungen von Farben und Farbverläufen können den Eindruck von Bewegung hervorrufen (vgl. [11]).

Mechanorezeptoren sind, wie eingangs bereits erwähnt, Rezeptoren zur Wahrnehmung mechanischer Reize. Das können beispielsweise Kräfte oder Momente, aber auch Beschleunigungen oder Muskeldehnung, sowie viele weiter Reize sein. Wir wollen also im Folgenden eine Auswahl wichtiger Mechanorezeptoren betrachten.

Das Vestibular- oder auch Gleichgewichtsorgan dient der Wahrnehmung von linearen und Winkelbeschleunigungen. Es besteht aus drei Sensoren für Winkelbeschleunigungen, den Bogengängen, und Sensoren für Linearbeschleunigungen, den Makularorganen. Die Bogengänge sind dabei in drei Ebenen angeordnet, die nahezu orthogonal zueinander stehen und jeweils in dieser Ebene Winkelbeschleunigungen wahrnehmen. Die Makularorgane sind ebenfalls grob orthogonal zueinander angeordnet und nehmen jeweils lineare Beschleunigungen in vertikaler Richtung, bzw. in horizontaler Richtung wahr. Die Wahrnehmung in vertikaler Richtung umfasst dabei auch die Erdbeschleunigung. (vgl. [14]).

Muskelspindeln sind Mechanorezeptoren in den Skelettmuskeln, welche zur Wahrnehmung der Streckung dieser Muskeln dienen. Sie bestehen aus einem in den Muskel eingebetteten Faserbündel, den Intrafusalen Fasern, um welche spiralförmig ein Nerv liegt. Das von diesem Nerv ausgesandte Signal ändert sich, je nachdem wie stark diese Fasern gedehnt werden. (vgl. [15]). Je mehr Muskelspindeln ein Muskel enthält, umso genauer kann ihre Ausrichtung bestimmt und gesteuert werden, so enthält beim Menschen die Muskulatur zur Steuerung der Augen die im Verhältnis zum Gewicht meisten Muskelspindeln ([11] S. 1694).

Aus den Signalen dieser Sensoren setzt das Gehirn nun die Information über Pose und Bewegung zusammen.

Die Wahrnehmung der Pose setzte sich nun aus für verschiedene Glieder, bzw. den ganzen Körper unterschiedlich zusammen, je nachdem welche Sensoren zur Verfügung stehen. So gehen in die Wahrnehmung der Pose und Lage des Kopfes beispielsweise alle betrachteten Sensoren ein, da hier sowohl aus dem Informationen des Vestibulären Systems, z.B. die Erdbeschleunigung, die Information der Muskelspindeln, z.B. die Streckung der Nackenmuskulatur, als auch die Informationen aus dem Visuellen System, z.B. die Ausrichtung von Objekten im Sichtfeld. (vgl. [12] und vgl. [1]). Die Informationen werden dann im Gehirn abhängig von der zur Verfügung stehenden Information gewichtet und kombiniert (vgl. [4] S. 1355, vgl. [9] S. 10418-10420). Dabei dominiert immer der schärfste Sinn (vgl. [4] S. 183), wobei auch jeder Sinn für sich ausreicht, um die Pose eines Körperteils zu bestimmen (vgl. [9] S10420).

Bei der Wahrnehmung von Bewegung, also der Wahrnehmung einer Translation des Körpers, spielen vor allem das Vestibularorgan und das Visuelle System eine besondere Rolle. Für das Vestibuläre System ist das leicht zu erkennen, Richtungs- und Geschwindigkeitsänderungen werden von den Bogengängen und Makularorganen als Beschleunigungen registriert und vermitteln damit Informationen über die Translation des Körpers im Raum. Diese Informationen sind aber beschränkt, bewegt sich der Körper mit gleichbleibender Geschwindigkeit, kann das Vestibularorgan dies nicht mehr feststellen. Hier greift das Visuelle System als zweiter großer und oft auch dominanter Teil der Translationswahrnehmung. Wir hatten bereits festgestellt, dass das Bewegungssehen über optische Hinweise funktioniert und auch die Bewegung des eigenen Körpers wird über einen solchen Hinweis, den Optischen Fluss, detektiert (vgl. [13]). Unter dem Optischen Fluss versteht man die Positionsänderung von Bildpunkten zwischen zwei (zeitlich aufeinanderfolgenden) Bildern. Die Bewegung des Körpers lässt sich nun über Art und Umfang dieser Änderung des wahrgenommen Bildes zwischen zwei Zeitpunkten schlussfolgern, macht man beispielsweise einen Schritt nach rechts, bewegen sich alle wahrgenommenen Bildpunkte entsprechend nach links. Dieses Phänomen ist beispielsweise dafür verantwortlich, dass man beim Autofahren auch bei gleichbleibender Geschwindigkeit das Gefühl hat sich zu bewegen.

Diese Art der Bewegungswahrnehmung ist tatsächlich sogar dominant gegenüber dem vestibulären System und kann auch ohne mechanische Einwirkung das Gefühl von Beschleunigung vermitteln (vgl. [8] S. 1750). Ein typisches Beispiel hierfür ist die sogenannte Moving-Train-Illusion. Also das Gefühl sich zu bewegen, wenn man aus dem Zugfenster die Bahn auf dem Nachbargleis anfahren sieht. Solche Effekte sind z.B. für VR von besonderer Bedeutung.

<spoiler| Wie unterscheidet man Objektbewegung von Eigenbewegung> Die visuelle Wahrnehmung von Bewegungen ist inhärent uneindeutig, schließlich kann Bewegung im Sichtfeld sowohl von Eigenbewegung als auch von der Bewegung anderer Objekt herrühren. Auch hier hilft der Optische Fluss weiter, bewegt man sich nämlich selbst, führt dies dazu, dass sich alle wahrgenommen Bildpunkte bewegen. Bewegt sich dagegen nur das Objekt, bewegen sich nur die zu diesem Objekt gehörenden Bildpunkte. </spoiler>

Wie wir bereits im Kapitel zum visuellen System gesehen haben, basiert unsere Wahrnehmung überwiegend auf mehreren Reizen, die in ihrer Gesamtheit von unserem Gehirn zum Bild unserer Realität zusammengesetzt werden. In den meisten Fällen liegen hierbei nicht alle möglichen Reize vor, so wird beispielsweise ein nah gelegenes Objekt keine Verdeckung oder Konvergenz paralleler Linien zeigen. Folglich benötigen wir immer nur eine gewisse Menge an Information, um daraus Rückschlüsse ziehen zu können. Eine häufige Ursache für Fehlleistungen sind hierbei widersprüchliche Sinneseindrücke, die vom zentralen Nervensystem nicht in eine sinnvolle Information umgesetzt werden können.

Ein naheliegendes Beispiel hierfür ist das Schwindelgefühl. Diskrepanz zwischen vestibulärem und visuellem System sorgt dafür, dass das zentrale Nervensystem nicht dazu in der Lage ist, unsere Position eindeutig zu erfassen. Verursacht wird dies beispielsweise durch eine längere Rotationsphase, nach der sich die Flüssigkeit in den Bogengängen weiterhin in Bewegung befindet, wir unsere Bewegung allerdings bereits gestoppt haben. Das entstehende Gefühl ist eine Rotation entgegengesetzt der bisherigen, zu der unsere visuelle, statische Wahrnehmung im Kontrast steht. Unsere visuelle Wahrnehmung mag eine ausbleibende vestibuläre Wahrnehmung überschreiben können (siehe Moving-Train-Illusion), sie vermag es jedoch nicht, einen vorhandenen Reiz zu negieren und so empfinden wir Schwindel. Gleichermaßen basieren auch Motion Sickness, Seekrankheit und die Cybersickness auf Widersprüchen in unserem sensorischen System. In allen Fällen handelt es sich um einen Widerspruch in vestibulärem und visuellem System, die Richtung unterscheidet sich hierbei jedoch. Im Falle von Seekrankheit erhalten wir keinen oder einen unzureichenden visuellen Reiz einer Bewegung, während unser vestibuläres System wiederholt Beschleunigungen und Rotationsbewegungen wahrnimmt. Motion Sickness und Cybersickness sind letztlich zwei Seiten derselben Medaille (https://www.sciencedaily.com/releases/2018/10/181023085654.htm), da die Ursache die gleiche ist. Hierbei wird visuell eine Bewegung wahrgenommen, die jedoch vom Körper nicht empfunden wird da ja de facto auch keine stattfindet. In allen drei Fällen führt die Inkonsistenz der Reize zu einem nicht eindeutigen Ergebnis bezüglich der eigenen Körperposition seitens des zentralen Nervensystems.

Wie wir also sehen führen widersprüchliche Sinneswahrnehmungen zu Fehlleistungen. Ausreichend dafür ist jedoch teils bereits das Ausbleiben einzelner Reize. Einschlafende Gliedmaßen sind meistens die Folge eingeklemmter Nerven, die zum Ausbleiben der Informationen aus den betroffenen Bereichen führen. Infolgedessen erhalten wir keine Informationen seitens der intrafusalen Fasern und unsere propriozeptive Wahrnehmung wird gehemmt bis hin zur Taubheit. Ein Wechsel in eine günstigere Position genügt zumeist bereits, um die Wahrnehmung wiederherzustellen. In den übrigen Fällen kann die Fehlleistung auf „große Kälte, einen leichten Schock und starken psychischen Stress“ zurückgeführt werden, sofern nicht ein krankhafter Grund vorliegt (https://medlexi.de/Eingeschlafene_Gliedma%C3%9Fen).

Abdriften der Propriozeption

https://link.springer.com/article/10.1007/BF00230024

Eine Verschiebung der Propriozeption wie wir sie oben gesehen haben, kann auch bewusst herbeigeführt werden. Hierbei ist die Rubber Hand Illusion (https://www.nature.com/articles/35784) innerhalb des Psychologie ein bekanntes Beispiel. „Dabei legt eine Versuchsperson ihre rechte Hand auf einen Tisch und die Wissenschaftler verdecken diese Hand und legen eine künstliche Hand daneben, die allerdings echt wirkt. Anschließend streicheln sie mit einem Pinsel oder einer Bürste im gleichen Rhythmus sowohl die verdeckte, echte Hand als auch die sichtbare, unechte und schon nach kurzer Zeit haben die Probanden das Gefühl, die künstliche Hand sei Teil ihres Körpers.“ (Stangl, 2020). Mit diesem Effekt geht auch eine Verschiebung der Propriozeption der jeweiligen Hand in Richtung der künstlichen einher.

Verwendete Literatur Stangl, W. (2020). Stichwort: 'Rubber-Hand-Illusion'. Online Lexikon für Psychologie und Pädagogik. WWW: https://lexikon.stangl.eu/14042/rubber-hand-illusion/ (2020-01-13)

Propriozeptives Training wird mit vielen Vorteilen beworben. Es erhöht die Stabilität der jeweiligen Gelenke, es beugt Verletzungen vor, es verbessert den Gleichgewichtssinn und je nach Quelle sogar die körperliche Kraft. Was genau bezeichnet man also als solches? Die meisten in der Populärkultur verwendeten Übungen beinhalten einbeiniges Balancieren (1)(2)(3) und geschlossene Augen um das visuelle Feedback als Hilfsmittel auszuschließen. Dies deckt sich in etwa mit den in der entsprechenden Forschung verwendeten Methoden (4) und zeigt klare Verbesserungen in Gangstabilität älterer Menschen (5) und Fußgelenktstabilität bei gesunden Probanden (6). Weiterhin zeigt derartiges Training auch in der Rehabilitation seine Wirkung (8). Eine Meta Studie zu 51 Versuchen (7) zeigt sogar eine durchschnittliche Verbesserung von 52% in den jeweilig zugrundegelegten Messgrößen.

(1) https://www.youtube.com/watch?v=JWp_uCFebk0 (2) https://draxe.com/fitness/proprioception (3) https://www.youtube.com/watch?v=R0xD_-YDORE (4) (5) https://journals.lww.com/nsca-jscr/Fulltext/2013/08000/Effects_of_12_Week_Proprioception_Training_Program.18.aspx?casa_token=u3zUXBpbv8EAAAAA:eB-HRL__dqj6RUQ5mxl362a_ATbJCLFGnJrjYLdGFab8x2e0DzsPrIWyqCCzatQe7onQsFMsNuKdL53-4akzyFy3HeOjbglXJvbDEg (6) https://www.jospt.org/doi/abs/10.2519/jospt.1995.21.2.90 (7) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4309156/#!po=3.57143 (8) http://www.pitt.edu/~neurolab/publications/1992-1996/Articles/LephartSM_1995_SportsExerInj_The%20role%20of%20proprioception%20in%20the%20treatment%20of%20sports%20injuries.pdf (9) https://go.galegroup.com/ps/anonymous?id=GALE%7CA251535505&sid=googleScholar&v=2.1&it=r&linkaccess=abs&issn=08969620&p=AONE&sw=w (10) https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s001670100208.pdf

Jemandem etwas in Reichweite zu zeigen funktioniert erstaunlich einfach: ohne darüber nachzudenken strekcne wir den Zeigefinger in die entsprechende Richtung und meinen „das da“. Die Propriozeption ist hierbei so gut ausgeprägt, dass wir innerhalb kürzester Zeit ohne geistige Leistung überaus präzise zielen. Im Gegensatz dazu erfordert es bewusstes Training mit Schusswaffen umzugehen und selbst mit diesem benötigt das Anlegen und Zielen seine Zeit. In dieser Kombination hat sich das Konzept des Deutschusses entwickelt. Der Abzug wird hierbei mit dem Mittelfinger bedient während der Zeigefinger entlang des Laufs der Waffe liegt und auf das Ziel deutet. Die Bewegung ist weitaus intuitiver und in kürzerer Zeit durchfuhrbar, schafft aber natürlich nicht die gleiche Präzision des Zielens über Kimme und Korn.

Quelle: https://books.google.de/books?id=SHACAAAAYAAJ&pg=PA238&redir_esc=y&hl=de#v=onepage&q&f=false

Virtual Reality (VR) bezeichnet eine computergenerierte, interaktive, virtuelle Umgebung. Im Gegensatz zu anderen Benutzeroberflächen wird der Nutzer in der Umgebung mit dem Ziel dargestellt, ihn in diese “eintauchen” zu lassen. Diese Umgebung kann der wirklichen Welt entsprechen, aber auch stark von ihr abweichen. VR unterscheidet sich von Augmented Reality (AR) in der Hinsicht, dass AR die tatsächliche Welt nur visuell ergänzt. Dieser Text wird sich im Weiteren ausschließlich mit VR befassen.
Seit den 1970er Jahren wird VR in Gebieten wie der Medizin, Flugsimulation und zu militärischen Trainingszwecken eingesetzt. Da sie es ermöglicht Situationen zu simulieren, die in der Realität zu teuer, gefährlich oder schwierig generierbar sind, können Nutzer mit der Hilfe von VR ihr Verhalten in diesen Situationen wiederholt trainieren. Schon in den 1990ern waren die ersten VR-Headsets für Videospiele verfügbar, jedoch dauerte es weitere 20 Jahre bis die Technik ausgereift genug war und erste kostengünstige Modelle auf dem Markt erschienen. Seither bietet die VR Technik auch ein wertvolles, kostengünstiges Instrument für die Forschung.

Da VR hauptsächlich die visuelle Wahrnehmung manipuliert, dient sie besonders gut der Erforschung dieser. Sie zeigt wie einfach es ist mit visuellen Reizen die Wahrnehmung eines Menschen zu kontrollieren, um ihn in eine andere Umgebung zu versetzen. Dafür müssen jedoch einige technische Anforderungen erfüllt sein.
Um den 3D-Effekt zu erzeugen, werden die virtuellen Inhalte für jedes Auge individuell leicht versetzt auf einem kopfmontierten Display angezeigt. Die Disparität der gezeigten Objekte wird im Gehirn zu Tiefeninformationen verarbeitet und die beiden Bilder zu einem 3D-Bild kombiniert. Dabei gilt: je größer die Disparität, umso näher ist das Objekt und umgekehrt. Deshalb erscheinen weit entfernte Objekte im vergleich zu nahen sehr flach. Das binokulare Blickfeld welches unter anderem für die Wahrnehmung von Tiefe verantwortlich ist, umfasst etwa 110° bei einem gesunden Menschen und sollte von dem Display abgedeckt werden [].
Zudem ist eine Bildfrequenz von mindesten 90 Hz notwendig damit der Gleichgewichtssinn und propriozeptive Reize des Körpers mit den visuell wahrgenommen Reizen übereinstimmen. Wenn dies nicht der Fall ist, kann es zu Kopfschmerzen oder Übelkeit (Cybersickness) kommen [1].
Um die Bewegung des Nutzers zu simulieren werden mit Hilfe von Sensoren die Position und Rotation der Augen lokalisiert und in die virtuelle Realität übersetzt.
Aber auch auditive Reize sind wichtig um das “Gefühl der Präsenz” in einer virtuellen Realität zu erzeugen. Deshalb sind zur Verbesserung des VR Erlebnisses Audioaufnahmen nötig, welche die Lokalisierung von Geräuschquellen ermöglichen (Richtungshören) und sich abhängig von der Ausrichtung und Position im Raum anpassen[].

verfasst von M. Mustermann

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alternativ mit Show-Button:

<spoiler | 1. Frage 1 ?> Antwort zu Frage 1 </spoiler>

Hochmuth, G. (1967). Biomechanik sportlicher Bewegungen. Frankfurt (a. M.): Limpert-Verlag GmbH.