Das virtuelle Wasserlabyrinth: der Beckentest für Menschen

Einstieg

Eine Studentin sitzt in einem abgedunkelten Raum am Schreibtisch, eine Hand am Joystick. Auf dem Monitor erstreckt sich vor ihr eine runde Arena, an deren Wänden Bilder hängen. Auf einer Seite ist ein Fenster, auf einer anderen eine Tür. Der Boden ist eine flache, merkmallose blaue Fläche.

Sie drückt nach vorn. Die Ansicht gleitet über den Boden. Sie dreht sich, und die Bilder ziehen vorbei. Irgendwo dort draußen ist eine verborgene Stelle, unsichtbar, bis sie zufällig darüberfährt. Dann steigt eine Plattform auf, ein Ton erklingt, und der Durchgang endet.

Eine Minute später beginnt sie erneut, von einer anderen Seite des Raums. Diesmal steuert sie, etwas unsicher, auf das Fenster zu.

Ein Labyrinth ohne Wasser

Das ist ein virtuelles Morris-Wasserlabyrinth. Kein Becken, kein Wasser, keine Ratte. Und doch ist die Logik dieselbe. Ein verborgenes Ziel, Hinweisreize an den Wänden und ein Mensch, der sich merken muss, wo die Dinge sind. Wie landete ein Test für Nagetiere auf einem Computerbildschirm und neuerdings in einem Headset? Und was gewinnt und verliert man dabei?

Vom Becken auf den Bildschirm

Das ursprüngliche Wasserlabyrinth ist ein rundes Becken mit trübem Wasser und einer Plattform knapp unter der Oberfläche. Eine Ratte oder Maus lernt, sie mithilfe von Orientierungspunkten im Raum zu finden. Seit Jahrzehnten ist es ein Standardtest des räumlichen Gedächtnisses bei Tieren.

Die virtuelle Version behält die Struktur bei und tauscht das Medium. Die Arena wird von einem Computer gezeichnet. Die Teilnehmenden bewegen sich aus der Ich-Perspektive hindurch, mit Tastatur, Joystick, Gamepad oder in neueren Systemen mit dem eigenen Körper. Die verborgene Plattform ist ein Stück Boden oder Wasser, das sich erst beim Überqueren zeigt.

Eine Sitzung wirkt vertraut für alle, die die Tieraufgabe kennen. Es gibt Trainingsdurchgänge von wechselnden Startpunkten aus, mit der Plattform an einem festen Ort. Meist gibt es ein Probe Trial, bei dem die Plattform entfernt wird und die Software aufzeichnet, wo die Person sucht. Und oft gibt es einen Durchgang mit sichtbarer Plattform, um zu prüfen, ob die Person das Ziel sehen und ansteuern kann.

Auch die Maße lassen sich übertragen. Zeit bis zum Ziel. Weglänge. Der Anteil des Probe Trials im richtigen Quadranten. Die Ausrichtung in den ersten Sekunden, die zeigt, ob die Person in die richtige Richtung losging. Da alles im Computer geschieht, wird die Position perfekt protokolliert, viele Male pro Sekunde, ohne Kamera.

Die ersten virtuellen Studien

Die Idee, Tieraufgaben in den virtuellen Raum zu übertragen, setzte sich in den 1990er-Jahren durch, als Desktop-Grafik gut genug wurde. 1998 kam eine wegweisende Studie von Robert Astur und Kollegen. Sie bauten eine computergestützte Version der Morris-Wasseraufgabe und stellten eine einfache Frage. Würde sie bei Menschen so funktionieren wie das echte Becken bei Nagetieren?

In drei Experimenten funktionierte es. Die Teilnehmenden lernten, die verborgene Plattform mithilfe der Hinweisreize im virtuellen Raum zu finden. Die Studie berichtete auch einen beständigen Geschlechtsunterschied. Im Mittel navigierten Männer über mehrere Maße hinweg besser zur verborgenen Plattform als Frauen. Die Autoren beschrieben diese Effektgrößen als einige der größten je berichteten und als robust über die Experimente. Sie präsentierten die Ergebnisse als ersten Nachweis, dass die virtuelle Wasseraufgabe für Menschen nützlich ist.

Es lohnt sich, kurz innezuhalten, warum das wichtig war. Jahrelang hatte die Tierforschung einen Goldstandard für Ortslernen, die Humanforschung dagegen ein Flickwerk aus Papiertests, Fragebögen und realen Routenaufgaben. Das ließ sich kaum mit irgendetwas vergleichen, was eine Ratte tat. Ein virtuelles Becken bot eine gemeinsame Grundlage. Dasselbe verborgene Ziel, dieselben distalen Hinweisreize und fast dieselben Maße.

2004 ging Asturs Gruppe weiter. Sie testeten einundsechzig Studierende in drei Aufgaben: einem virtuellen Wasserlabyrinth, einem virtuellen Achtarm-Radiallabyrinth und einem klassischen Papiertest zur mentalen Rotation. Männer fanden die verborgene Plattform erneut besser. Im virtuellen Radiallabyrinth gab es jedoch gar keinen Geschlechtsunterschied. Und die Aufgaben korrelierten nicht wie erwartet. Nur die mentale Rotation und das Probe Trial im Wasserlabyrinth hingen signifikant zusammen. Die Autoren folgerten, dass die beiden virtuellen Labyrinthe das räumliche Gedächtnis nicht auf dieselbe Weise messen und nicht als austauschbar gelten sollten.

Seitdem hat sich das virtuelle Wasserlabyrinth weit verbreitet. 2021 werteten Conor Thornberry, José Cimadevilla und Sean Commins mehr als zweihundert Arbeiten zur Navigation in virtueller Realität aus. Die mit Abstand beliebteste Aufgabe war das virtuelle Morris-Wasserlabyrinth.

Eine Brücke zwischen Arten

Was zeigt die virtuelle Aufgabe? Vor allem schlägt sie eine Brücke. Forschende können nahezu dasselbe Experiment mit einer Ratte und einem Menschen durchführen, mit derselben Logik und ähnlichen Maßen. So lässt sich leichter fragen, ob ein Befund bei Tieren ein menschliches Gegenstück hat.

Sie öffnet auch Türen, die bei Tieren schwer zu öffnen sind. Man kann Patienten mit einer Erkrankung direkt testen, statt sich auf ein Tiermodell zu verlassen. Man kann die Aufgabe mit Bildgebung kombinieren, denn wer im Scanner liegt, kann noch mit einer Tastenbox steuern. Und man kann die Umgebung sofort ändern, Hinweisreize verschieben, die Arena verkleinern oder Orientierungspunkte entfernen, ganz ohne Tischlerarbeit.

Die Kontrolle ist hervorragend. Alle Teilnehmenden sehen genau denselben Raum, im selben Licht, mit denselben Hinweisreizen an denselben Stellen. Das ist in einem echten Labor schwer zu versprechen, wo ein verrückter Stuhl oder ein neues Poster verändern kann, was ein Tier sieht.

Auch der Durchgang mit sichtbarer Plattform hat hier seinen Platz. In der klassischen Rattenstudie von 1982 hatten Tiere mit Hippocampusschäden Mühe, eine verborgene Plattform zu finden, schwammen aber problemlos zu einer sichtbaren. Dieser Kontrast zeigte, dass das Problem das Ortsgedächtnis war, nicht Sehen oder Schwimmen. Ein sichtbares Ziel im virtuellen Becken erfüllt dieselbe Aufgabe beim Menschen. Wer geradewegs zu einem sichtbaren Ziel steuern kann, aber nicht zu einem, das er sich merken muss, hat wahrscheinlich kein Problem mit der Steuerung.

Es gibt auch eine praktische Seite. Jeder Schritt wird automatisch protokolliert, es gibt also kein Video auszuwerten und keine Tracking-Fehler zu bereinigen. Und niemand muss aus einem Becken gefischt werden.

Der virtuelle Raum macht auch klassische Hinweisreiz-Experimente einfach. Drehen Sie zwischen den Durchgängen alle Bilder an den Wänden um neunzig Grad und beobachten Sie, wo die Person sucht. Folgt sie den Bildern, nutzte sie diese Hinweisreize. Wenn nicht, verließ sie sich vielleicht auf etwas anderes, etwa die Form der Arena oder gezählte Schritte. Im echten Labor heißt so ein Test Möbelrücken. Am Computer ist es eine Einstellung.

Echte Grenzen

Bei aller Verheißung hat die virtuelle Aufgabe echte Grenzen. Die erste ist die Einheitlichkeit. Thornberry und Kollegen fanden, dass Labore sehr unterschiedliche Aufbauten verwenden. Arenagrößen variieren. Anzahl und Art der Hinweisreize variieren. Ebenso Trainingspläne und die Art, wie Durchgänge enden. Unterschiedliche Versionen machen es sehr schwer, Befunde zu replizieren oder Ergebnisse zwischen Forschungsgruppen zu vergleichen. Sie forderten Standardprotokolle, wenn das virtuelle Wasserlabyrinth zum Goldstandard der räumlichen Humanforschung werden soll, wie es das echte für Tiere ist.

Die zweite Grenze ist der Körper. Am Desktop sitzt die Person still. Dreht sie sich auf dem Bildschirm, dreht sich ihr Kopf nicht. Bewegt sie sich vorwärts, gehen ihre Beine nicht. Bei echter Navigation fließen diese Körpersignale in den Positions- und Richtungssinn des Gehirns ein. Eine Desktop-Aufgabe lässt sie weg, was verändern kann, wie Menschen sie lösen.

Das ist ein Grund, warum immersive Systeme aufkamen. Im Headset dreht sich beim Kopfdrehen die Sicht mit, sodass die Gleichgewichtsorgane des Innenohrs mitwirken. Manche Aufbauten ergänzen Gehen auf einem Laufband oder einer kleinen Trittplatte, damit auch die Beine beitragen. HVS 6D VR ist ein Beispiel. Es bietet Protokolle nach Nagetiervorbild, mit verborgenen und sichtbaren Plattformen, Probe- und Umlerndurchgängen, in einem vollständig immersiven Headset und mit Gehoptionen für körperbasierte Signale.

Immersion bringt eigene Fragen mit. Manchen Menschen wird im Headset übel, darauf müssen Studien achten. Und Vertrautheit mit Videospielen kann manchen das Steuern leichter machen als anderen; das sollte man erfassen, denn Steuergeschick ist nicht dasselbe wie räumliches Gedächtnis.

Dann ist da die Frage, was als dieselbe Aufgabe gilt. Eine Ratte im Wasser flieht vor etwas Unangenehmem. Ein Mensch am Bildschirm ist höchstens leicht neugierig oder will gut abschneiden. Motivation und Stress sind verschieden, also beanspruchen die beiden Versionen womöglich nicht genau dieselben Systeme.

Und schließlich sind Menschen keine Ratten. Menschen können Schritte zählen, verbale Regeln nutzen oder sich sagen: Es liegt auf halbem Weg zwischen Fenster und Tür. Ein virtuelles Becken kann Strategien nahelegen, die kein Nagetier nutzen könnte, also erfordert jeder Artvergleich Sorgfalt.

Zurück zur Studentin

Zurück zu der Studentin am Schreibtisch, die unsicher auf das Fenster zusteuert. Sie tut etwas, das eine Ratte im Becken seit Jahrzehnten tut: Aus dem Raum um sie herum zusammensetzen, wo sie ist. Die virtuelle Version kann nicht alles am Original nachbilden. Aber sie lässt Forschende einem Menschen dieselbe Frage stellen wie einem Tier, und das ist sehr wertvoll.

Die erwähnten Arbeiten und ein Transkript finden Sie auf water-maze.com.