Essay

Psychophysik

Walter H. Ehrenstein

Unter Psychophysik versteht man seit G. T. Fechner (1860) die Lehre von den Beziehungen zwischen seelischen (subjektiven oder phänomenalen) und körperlichen (objektiven oder physikalischen) Tatbeständen. Fechner unterschied dabei bereits zwischen äußerer und innerer Psychophysik. Während die äußere Psychophysik das Verhältnis von physikalisch meßbaren Reizen zu den durch sie ausgelösten Erlebnissen untersucht, beschäftigt sich die innere Psychophysik mit den, prinzipiell ebenfalls mit physikalischen Methoden meßbaren, sensorischen und neuronalen Erregungsprozessen und den ihnen zugeordneten Erlebnissen ( Abb. 1 ).

Fechners Idee war es, aus der äußeren Psychophysik, aus den durch sie aufgedeckten quantitativen Beziehungen zwischen Reiz und Erlebnis auf die vermittelnden Erregungsprozesse zu schließen. Da es damals noch kaum objektive Methoden gab, um Erregungsprozesse zu erfassen, blieb seine innere Psychophysik zunächst ein rein theoretisches Konzept. Die äußere Psychophysik diente daher methodisch auch einer subjektiven Sinnesphysiologie (Aubert, Exner, Helmholtz, Hering, Kries, Mach, Purkinje u.a.), um erste Aufschlüsse über Sinnes- und Hirnfunktionen zu liefern. Heute hat sich die Situation angesichts der zahlreich vorhandenen Methoden zur objektiven Erfassung sensorischer und neuronaler Aktivität grundlegend gewandelt. Damit wird ein Vergleich von objektiven und subjektiven Antworten auf äußere Reize möglich, die erkenntnistheoretisch den Bezugspunkt (das tertium comparationis) darstellen, sofern sie identisch zur Auslösung von Neuronen- und Wahrnehmungsantworten dargeboten und variiert werden. Mit der "Methode des gemeinsamen Reizes" lassen sich quantitative Beziehungen (Korrelationen) von qualitativ sehr verschiedenen Phänomenen und Vorgängen herstellen und zuordnen (Abb. 1). Dieser Ansatz einer interdisziplinären Korrelationsforschung wurde von R. Jung und Mitarbeitern (Baumgartner, Creutzfeldt, Dichgans, Grüsser, Spillmann u.a.) begründet (Internationales Symposium anläßlich des 100. Jubiläums von Fechners "Psychophysik", Freiburg 1960) und bildet heute das Kernstück der modernen, sinnes- und neurophysiologisch verankerten Wahrnehmungsforschung (Campenhausen, 1993) (Wahrnehmung).

Wirkungsreihe vom physikalischen Objekt zum "psychophysischen Niveau"
Damit ein Gegenstand gesehen wird, zum Sehding wird, müssen Lichtstrahlen von ihm ausgehen (Reizquelle) und auf die Netzhaut des Auges gelangen. Dort müssen die Rezeptoren den physikalischen Reiz in elektrische Energien umwandeln, die vom Sehnerven zu einem raum-zeitlichen Erregungsmuster geordnet und auf weiteren Stationen der Sehbahn verarbeitet, schließlich die Sehrinde erreichen. Ist dieser Übertragungsweg unterbrochen, so kommt es zu keiner Wahrnehmung, ist er (z.B. infolge von Entmarkungsvorgängen) verlangsamt, so tritt die Wahrnehmung entsprechend verzögert auf. Offenbar hat von der gesamten Wirkungsreihe nur der Endabschnitt (die Erregungen in der Sehrinde) etwas mit der Wahrnehmung zu tun. Bei Zerstörung der Sehrinde kann man trotz intakter Rezeptoren und Sehnerven nichts mehr sehen (Rindenblindheit), oder es verbleibt ein dem Bewußtsein kaum noch zugängliches Restsehen (sog. "blindsight"). Demnach werden Erregungsprozesse erst auf einem bestimmten Niveau der neuronalen Verarbeitung "bewußt", d.h. psychophysisch wirksam. Auf dieser Stufe werden physiologisch beobachtbare Vorgänge zugleich psychologisch erfaßbar. W. Köhler (1920) hat in diesem Zusammenhang den Begriff des "psychophysischen Niveaus"(PPN) eingeführt, wobei er annahm, daß gleichen oder ähnlichen Bewußtseinsvorgängen gleiche oder ähnliche zentralnervöse (PPN-) Vorgänge entsprechen (Isomorphieprinzip). Heuristisch folgt aus dem Isomorphieprinzip, daß sich Wahrnehmung und der ihr zugeordnete Hirnvorgang funktionell und strukturell einander entsprechen, die Befunde der Wahrnehmungs- und Hirnforschung sich somit gegenseitig ergänzen und stützen (Ehrenstein & Ehrenstein, A., 1999).

Quantitative Gesetzmäßigkeiten der Psychophysik
Die entscheidenden Anregungen zum Aufbau einer Psychophysik gingen von den Untersuchungen des Physiologen E. H. Weber über den Tastsinn (1834, 1846) aus. Diese zeigten, daß der eben noch bemerkbare Reizunterschied zwischen zwei Gewichten (ΔI) in einem konstanten Verhältnis zur Größe des Bezugsgewichts (I) steht:

ΔI/I = k (Webersches Gesetz)

Dies bedeutet, daß bei einer Weberschen Konstanten (k) von 1/40 zwei Gewichte von 40 und 41 g eben noch unterschieden werden können, also 1 g zur Unterscheidung ausreicht, bei einem Gewicht von 400 g dazu aber 10 g nötig sind. Ausgehend von dieser Gesetzmäßigkeit folgerte Fechner (1850), daß ΔI die relativ zum Bezugsreiz (I) notwendige Reizveränderung darstellt, um bei der von I hervorgerufenen Empfindung (E) einen eben merklichen Empfindungsunterschied (ΔE) herbeizuführen. Angeregt durch das auf G. W. Leibniz zurückgehende Konzept der Minimalwahrnehmungen ("petites perceptions" im Sinne differentieller Erlebniseinheiten) postulierte Fechner eine Beziehung zwischen beliebig kleinem, infinitesimalem Reizzuwachs (dI) und entsprechend infinitesimalem, "subliminalem" Empfindungszuwachs (dE). So gelangte er zu der "Fundamentalformel": dE = c · dI/ I, deren Integration die sog. "Maßformel" liefert:

E = c · log I + f (Fechnersches Gesetz)

Dabei bedeutet E die Empfindungsintensität, I die Reizintensität, c und f sind von der jeweiligen Sinnesmodalität abhängige Konstanten bzw. Proportionalitätsfaktoren. Allgemein formuliert besagt das Fechnersche Gesetz, daß die Empfindungsstärke mit dem Logarithmus der Reizstärke wächst. Einer Verdoppelung der Reizstärke entspricht subjektiv ein Zuwachs um etwa 30%, einer Verzehnfachung ungefähr eine Verdoppelung der Empfindungsintensität. Zahlreiche experimentelle Überprüfungen ergaben, daß das Webersche und Fechnersche Gesetz nur für einen, im Alltag allerdings entscheidenden, Mittelbereich eines Reizkontinuums gelten. Bei sehr kleinen und sehr großen Reizintensitäten weichen die Ergebnisse deutlich von den vorhergesagten Werten ab. Außerdem sind die logarithmischen Skalen nach dem Kriterium der eben merklichen Unterschiede, d.h. für den Schwellenbereich konstruiert und nicht unbedingt auch für den überschwelligen Bereich gültig. Alternativ zu den Messungen im Schwellenbereich bieten sich Größenordnungs- oder Verhältnisskalen an, wie sie zuerst von J.A.F. Plateau (1872) und J. Delboeuf (1873) vorgeschlagen und vor allem von S. S. Stevens (1975) entwickelt wurden. Statt einem eben merklichen Unterschied zu bestimmen, läßt man die wahrgenommene Intensität als Verhältnis zu einen Standard (modulus) einstufen. Man erhält bei diesen Versuchen typischerweise eine Potenzfunktion, bei der die Empfindungsstärke (E) proportional zur n-ten Potenz der Reizstärke (I) ist:

E = a · Iⁿ (Potenzgesetz)

Die Konstante a bezeichnet jeweils die absolute Schwelle einer Sinnesmodalität. Ist der Exponent n = 1, so ist die Empfindung direkt proportional zur Reizstärke, bei Werten von n < 1 nimmt ihre Intensität (wie beim Fechnerschen Gesetz) langsamer zu als die des Reizes.

Methoden der Psychophysik
Die Psychophysik stützt sich bis heute hauptsächlich auf drei bereits von Fechner (1860) sowie G. E. Müller (1878) ausgearbeitete Methoden zur Schwellenbestimmung, die allerdings inzwischen durch rechnergestützte Reizdarbietungs- und Auswertungsprogramme erheblich optimiert wurden:
1) Herstellungsmethode. Hier muß der Beobachter wiederholt einen variablen Reiz so einstellen, daß er gerade eben wahrgenommen wird (absolute Schwelle) oder mit einem vorgegebenem Standardreiz übereinstimmt (Unterschiedsschwelle). Aus den Einstellungen werden das arithmetische Mittel als subjektiver Gleichwert und die Streuung (s) bzw. (als Maß der Unterschiedsschwelle) der wahrscheinliche Fehler (wF = 0, 67 s) berechnet. Die Differenz zwischen subjektivem Gleichwert und Standardreiz wird als konstanter Fehler bezeichnet.
2) Grenzmethode. Hier wird der Reiz durch den Versuchsleiter (bzw. rechnergestützt) variiert, wobei der Beobachter angibt, wann er den Reiz bzw. Reizunterschied eben wahrnimmt (aufsteigendes) bzw. eben nicht mehr wahrnimmt (absteigendes Verfahren).
3) Methode der konstanten Reize (Konstanzmethode). Hier wird eine Serie von um einen konstanten Betrag (z.B. 0,1 g, 1 cm, 1 dB) sich unterscheidenden Reizen wiederholt in Zufallsfolge dargeboten. Der Schwellenwert liegt bei derjenigen Reizintensität, die in 50% der Fälle bemerkt wurde . Die Grenzwerte werden auf der Grundlage kumulierter Häufigkeiten der Urteile berechnet. Abb. 2 (aus einer Untersuchung zum Richtungshören von Lewald & Ehrenstein, 1998) zeigt die prozentuale Häufigkeit der Rechtsurteile einer Versuchsperson als Funktion der Intensitätsdifferenz (ΔI) zwischen beiden Ohren (in deziBel, dB). Die Darbietung erfolgte über Kopfhörer in Stufen von 1 dB über den Bereich von – 4 dB (höherer Schalldruck am linken) bis + 4 dB (höherer Schalldruck am rechten Ohr). Bei Kopfstellung in Geradeaus-Richtung (0°) weicht der psychophysisch bestimmte Mitteneindruck (ΔI = -0.55 dB) nur geringfügig von der physikalischen Mitte (ΔI = 0) ab (das linke Ohr benötigt etwas mehr Schallintensität als das rechte). Bei Kopfdrehung um 60° nach links (-) bzw. rechts (+) weicht der Mitteneindruck dagegen deutlich (um – 2,55 dB bzw. + 1,30 dB) von der physikalischen Mitte ab ( Abb. 2 ). Dies bedeutet, daß sich die wahrgenommene Schallrichtung entgegengesetzt zur Kopfrichtung verlagert.

4) Bei einer von L. L. Thurstone (1927) ausgearbeiteten Variante der Konstanzmethode, der Methode des Paarvergleichs, werden die zu beurteilenden Gegenstände bzw. Reizintensitäten in sämtlichen n x (n-1)/2 Paarkombinationen dargeboten. Aus der Matrix der Urteile läßt sich eine quantitative Stufung der Beurteilungsgegenstände berechnen. In einfacherer Form hat Fechner (1876) diese Methode bereits zur Auffindung ästhetischer Bevorzugungen verwendet. Beim Proportionsvergleich von Rechtecken fand er eine Bevorzung des goldenen Schnitts, d.h. von Proportionen, bei denen sich der kleinere Teil (a) zum größeren Teil (b) verhält wie dieser zum Ganzen: a : b = b : (a+b).
5) Bei direktem Schätzen von Reizgrößen, der Verhältnisskalierung (Stevens, 1975) wird ein Standardreiz mit einem Zahlenwert (z.B. "100") vorgegeben, zu dem die wahrgenommenen Intensitäten der Vergleichsreize proportional anzugeben sind (z.B. "45" knapp halb, "200" genau doppelt so stark). Noch direkter erfolgen diese Angaben beim intermodalen Vergleich. Hierbei wird z.B. die wahrgenommene Licht- oder Schallintensität durch vergleichbaren Kraftaufwand beim Betätigen eines Handdynamometers angezeigt, d.h. die Intensität in einer Modalität (Seh-, Hörsinn) wird durch eine dieser in einer anderen Modalität (Kraftsinn) entsprechenden Intensität ausgedrückt.

Anwendungen der Psychophysik
Überall dort, wo Fragen nach der sensorischen Umwelt oder der Funktionsweise von Sinnessystemen des Menschen auftreten, können psychophysische Methoden nützlich sein. So können detaillierte psychoakustische Skalierungen als Entscheidungsgrundlage für die Notwendigkeit wie Wirksamkeit von Lärmschutzmaßnahmen (Lärmwirkungen, Lärmbewertung) dienen. Im klinisch-diagnostischen Bereich finden zunehmend rechnergestützte, adaptive Schwellenmeßverfahren Eingang, etwa bei der sensorischen Funktionsprüfung (Seh-, Hör-, Riechtests) oder Erfassung sensorisch-neurologisch bedingter Leistungsstörungen (Neuropsychologie). Im Bereich der Ergonomie sind psychophysische Meßsysteme in die Normung (DIN) eingegangen und zur Erfassung sensorisch-perzeptiver Bedingungen am Arbeitsplatz wie auch von individuell, etwa altersbedingt veränderten sensorischen Leistungsvoraussetzungen unerläßlich und bieten zudem wertvolle Anhaltspunkte für die Konstruktion bedienerfreundlicher Maschinen und Anzeigen. Angewandte Psychophysik bildet daher auch das Kernstück des vor allem in den USA entwickelten Human Factors Ansatzes, der Ingenieure und Psychologen in dem Ziel einer menschgerechten Gestaltung und Optimierung der Arbeitswelt vereint (Arbeits- und Organisationspychologie).

Literatur
Campenhausen, C. v. (1993). Die Sinne des Menschen. Einführung in die Psychophysik der Wahrnehmung (2. AuflStuttgart – New York: Thieme.
Ehrenstein, W. H. & Ehrenstein, A. (1999). Psychophysical methods. In U. Windhorst & H. Johansson (Eds.), Modern Techniques in Neuroscience Research (pp. 1211-1241). Berlin, New York: Springer.
Fechner, G.T. (1860). Elemente der Psychophysik. Bd. I & II. Leipzig: Breitkopf & Härtel.
Lewald, J. & Ehrenstein, W. H. (1998). Influence of head-to-trunk position on sound lateralization. Exp. Brain Res. 121, 230-238.
Stevens, S. S. (1975). Psychophysics: Introduction to its Perceptual, Neural, and Social Prospects. New York. Wiley.

Abb. Psychophysik 1. Interdisziplinäre Einordnung der Psychophysik.

Abb. Psychophysik 2. Einfluß der Kopfstellung auf die wahrgenommene Schallrichtung.