Sind motorische Handlungen auf eine präzise Wahrnehmung angewiesen?

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1 Zeitschrift für Sportpsychologie, 19 (4), Hogrefe Verlag, Göttingen 2012 Sind motorische Handlungen auf eine präzise Wahrnehmung angewiesen? Thomas Ellenbürger 1,3, Melanie Krüger 2, Charles H. Shea 4 und Stefan Panzer 1 1 Universität des Saarlandes, Saarbrücken 2 Ludwig-Maximilians-Universität, München 3 IfADo Leibniz Research Center for Working Environment and Human Factors, Dortmund 4 Texas A & M University, USA Zusammenfassung. Ziel der vorliegenden Studie war es, den Einfluss spezifischer visueller Wahrnehmungseffekte auf die Handlungskontrolle von closed-loop-kontrollierten Zielbewegungen zu untersuchen. Mittels einer simultanen Größen-Kontrast-Illusion (Ebbinghaus-Titchener-Illusion) wurden die Wahrnehmungseffekte manipuliert. Die Handlung und die inhärenten informationellen motorischen Prozesse wurden über das Fitts'sche Gesetz mittels verschiedener Schwierigkeitsindizes (IDs 3, 4.5) systematisch variiert. Die Aufgabe der Versuchspersonen war es, eine reziproke, zyklische, zielmotorische Präzisionsaufgabe über 30 s hinweg mittels einer Flexions- und Extensionsbewegung, zwischen zwei illusionserzeugenden Stimuli und unter zwei unterschiedlichen Schwierigkeitsindizes so genau und so schnell wie möglich auszuführen. Die Ergebnisse zeigen, dass es sowohl durch die visuelle Illusion, als auch durch die Erhöhung der ID zu einer Minderung in der motorischen Ausführungsleistung kam. Der Befund verweist darauf, dass visuelle Illusionseffekte die Handlungskontrolle bei closed-loopkontrollierten Zielbewegungen beeinträchtigen. Schlüsselwörter: motorische Kontrolle, visuelle Illusion, Fitts'sches Gesetz, Repräsentation Are motor actions dependant on precise perception? Abstract. A reciprocal, closed-loop-controlled aiming task was used to determine the influence of visual illusion effects on the perception-action coupling. The visual illusions were induced by a size-contrast illusion (Ebbinghaus-Titchener-Illusion). Additionally, a Fitts' task with different indexes of difficulty (IDs 3, 4.5) was used to manipulate the movement difficulty. The task was to move a cursor with an extension-flexion movement over 30 s as accurately and fast as possible between two circles of the same size. However, these target circles were surrounded by smaller or bigger circles to induce the different visual illusions. The results indicate that the visual illusions (the perceived target seems smaller as it is) as well as an increase in the ID in the Fitts' task degrade performance on the response outcome measures. The findings provide empirical evidence that visual illusions degrade performance in a closed-loop-controlled, reciprocal aiming task. Key words: motor control, visual illusion, Fitts' Law, representation Federer kämpft gegen optische Täuschung; in der riesigen Anlage, die Zuschauern Platz bietet, wirkt das 23,77 Meter lange und 8,23 Meter breite Feld wie ein Spielplatz für Kleinkinder. Dass die Auslaufzonen des Court Central am unteren Limit sind, verstärkt diesen Eindruck zusätzlich. «Ich bilde mir ein, dass der Ball irgendwo ins Aus fliegt, wenn ich fest auf ihn draufschlage», erklärt Federer (Kühn, 2010, Baseler Zeitung, ). Die Arbeit wurde finanziell durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft unterstützt (PA774/10 1). Obwohl auf der Beobachtungsebene eine Wechselwirkung zwischen der wahrgenommenen Umwelt und unserer Handlung besteht, so existiert gleichzeitig auf theoretischer Ebene aufgrund von empirischen Inkonsistenzen (van Donkelaar, 1999) eine Debatte über die neuronale Struktur, in welcher die Wechselwirkung stattfindet (Glover, 2004; Grafton, 2010; Milner & Goodale, 2008; Prinz & Hommel, 2002; Thier, 2006). Ein theoretischer Ansatz, welcher in den letzten Jahren zur Stimulation der Forschung auf dem Gebiet beiträgt, ist das perception-action -Modell von Milner und Goodale (1995; 2008; siehe auch Glover, DOI: / /a000079

2 136 Thomas Ellenbürger, Melanie Krüger, Charles H. Shea und Stefan Panzer 2004). Die Grundidee der Theorie basiert auf der Überlegung, dass visuelle Informationen auf kortikaler Ebene in zwei relativ unabhängigen neuronalen Strukturen (Nervenbahnen) für Wahrnehmung und Handlung verarbeitet werden: einer ventralen und einer dorsalen Nervenbahn. Nach den theoretischen Vorstellungen ist das ventrale System primär für die Verarbeitung visueller Informationen in Bezug auf die Wahrnehmung von Objektmerkmalen wie Größe, Form und Lage im Raum sowie Kontextinformationen verantwortlich ( vision for perception, Milner & Goodale, 2008). Es ist erfahrungsabhängig, nutzt kognitive Informationen und ist sensitiv gegenüber visuellen Illusionen (Pavani, Boscagli, Benvenuti, Rabufetti & Farnè, 1999). Hingegen ist das dorsale System für die visuelle Kontrolle der Handlungssteuerung verantwortlich, es greift nicht auf kognitive Informationen zu und ist abhängig von den aktuell verfügbaren visuellen und propriozeptiven Informationen während der Bewegungsausführung ( vision for action, Milner & Goodale, 2008; siehe auch Keele, Ivry, Mayr, Hazeltine & Heuer, 2003; Prinz & Hommel, 2002). Empirische Evidenz für die strukturelle Unabhängigkeit der beiden visuellen Systeme stammt primär aus neurologischen Studien mit Patienten, bei denen in Folge einer Läsion in der ventralen Struktur Wahrnehmungs- aber keine Bewegungsdefizite zu konstatieren waren bzw. bei Läsionen in den dorsalen Strukturen keine Wahrnehmungs- aber Bewegungsdefizite beobachtet werden konnten (siehe auch Ungerleider & Mishkin, 1982; Goodale & Milner, 1992; Milner & Goodale, 2008 für einen Überblick). Eine weitere empirische Stützung für die Modellvorstellung, dass visuelle Informationen für die Wahrnehmung und Handlung in zwei relativ unabhängigen visuellen Systemen verarbeitet werden, findet sich in den Untersuchungen mittels visueller Illusionen oder optischer Täuschung bei gesunden Versuchspersonen (siehe van Donkelaar, 1999; Glover, 2004; Milner & Goodale, 2008). Grundgedanke der Experimente zu visuellen Illusionen ist, Objekte oder auch Ziele durch die visuelle Manipulation phänomenal größer oder kleiner erscheinen zu lassen, als sie es tatsächlich sind. Die Aufgabe der Versuchspersonen besteht dann darin, eine Entscheidung über die Größe der Objekte zu treffen oder eine motorische Handlung im Kontext der visuellen Illusionen auszuführen. In einer experimentellen Versuchsanordnung von Aglioti, DeSouza und Goodale (1995) sollten Versuchspersonen unter Verwendung einer Ebbinghaus-Titchener-Illusion einen Spielchip, wie er in Casinos verwendet wird, in seiner Größe beurteilen (apprehension) und dann ergreifen (prehension). Die Ebbinghaus-Titchener-Illusion wird erzeugt, indem ein Zielkreis durch eine Anzahl größerer Kreise oder aber durch eine Anzahl kleinerer Kreise umrundet wird. Die Befunde zeigen, dass es durch die visuelle Illusion zu Fehlinterpretationen bei der Entscheidung kam, ob das Objekt größer oder kleiner war, nicht jedoch, wenn das Objekt gegriffen werden musste (siehe auch Haffenden & Goodale, 1998; 2000). Für die Entscheidung waren primär visuelle Informationen über die Größe des Objektes sowie der Lage im Raum notwendig, während für das Greifen visuelle Informationen für die Kontrolle der Bewegungstrajektorie essentiell waren. Die visuelle Wahrnehmungsfunktion und deren nachgeordnete kognitive Verarbeitungsinstanzen scheinen sensitiv gegenüber dem Illusionseffekt zu sein (wie von der Theorie vorhergesagt), während die visuellen Informationen für die Kontrolle der Bewegung nicht sensitiv gegenüber der optischen Täuschung waren. Aglioti und Kollegen (1995) werten diesen Befund als empirischen Beleg für das perception-action -Modell (Milner & Goodale, 2008 für einen Überblick). So klar der Befund auch sein mag, so konnte der Illusionseffekt in vielen anderen Untersuchungen nicht repliziert werden. Franz, Gegenfurtner, Bülthoff und Fahle (2000) konnten in einer Versuchsreihe mit drei Experimenten den fehlenden Illusionseffekt bei Greifbewegungen unter Verwendung der gleichen Illusion (Ebbinghaus-Titchener-Illusion) nicht replizieren (siehe auch Franz, Hesse & Kollath, 2009). Sowohl die visuelle Beurteilung als auch die maximale Grifföffnung der Hand waren durch die Illusion beeinträchtigt. Gentilucci und Kollegen (1996) setzten in ihrer Studie eine Müller-Lyer-Illusion ein. Dabei wird durch die Richtung der Pfeile am Ende einer Geraden der visuelle Eindruck eines Längenunterschiedes erweckt. Die Gerade erscheint kürzer, wenn Pfeile nach außen zeigen, oder länger, wenn die Pfeile nach innen zeigen. Die Versuchspersonen hatten die Aufgabe, eine Zeigebewegung auszuführen. Auch in dieser Versuchsanordnung zeigte sich, dass die Handlung durch die Illusion beeinträchtigt war, wenn die Gerade kürzer erschien (Gentilucci, Chieffi, Deprati, Saetti & Toni, 1996). Van Donkelaar (1999) untersuchte die Funktion von visuellen Informationen für die Handlung mittels der Ebbingshaus-Titchener-Illusion und des Fitts'schen Gesetzes (Fitts, 1954). Das Fitts'sche Gesetz wird häufig in Studien eingesetzt, welche die Informationsverarbeitung visuomotorischer Handlungen in Abhängigkeit unterschiedlicher Schwierigkeitsgrade untersuchen (vgl. Boyle, Panzer, Wright & Shea, 2012; Fitts, 1954; Rosenbaum, 2002). Es spezifiziert die Geschwindigkeits-Genauigkeits-Abhängigkeit bei reziproken Zielbewegungen. Die Bewegungszeit bei Zielbewegungen wird als Relation von Bewegungsamplitude und anzusteuernder Zielgröße (Fitts, 1954) charakterisiert. Über den Index of Difficulty (ID = log 2 (2A/W); A = Bewegungsamplitude; W = Zielgröße) lässt sich systematisch der Schwierigkeitsgrad der Aufgabe variieren. Bei gleichbleibender Genau-

3 Wahrnehmung und Handlung 137 igkeit sollte mit ansteigender ID die Bewegungszeit ansteigen. Die Grundidee von van Donkelaar (1999) war, dass sich bei gleicher Genauigkeit auch die Bewegungszeit erhöhen sollte, wenn der Zielkreis durch die Ebbinghaus-Titchener-Illusion als kleiner wahrgenommen wird, was darauf hindeuten würde, dass visuelle Informationen auf der Wahrnehmungsebene die Handlungsausführung beeinflussen. Unter Verwendung einer Zeigebewegung verdeutlichen seine Ergebnisse eindrucksvoll, dass kleiner wahrgenommene Zielkreise mit einer erhöhten Bewegungszeit korrespondieren und damit die Vorhersagen aus dem Fitts schen Gesetz empirisch fundieren. Die Fehlinterpretation visueller Informationen auf der Wahrnehmungsebene beeinflusst die Handlungsausführung. Dieser Befund ist entgegen der theoretisch begründeten Erwartung aus dem perception-action -Modell. Die Ambiguität der Ergebnisse lässt sich neben den verwendeten unterschiedlichen Illusionen (Ebbinghaus-Titchener, Müller-Lyer oder Ponzo) (Brenner & Smeets, 1996) oder einer unterschiedlichen räumlichen Anordnung der Zielkreise (de Grave, Biegstraaten, Smeets & Brenner, 2005) auch unter dem Aspekt der Aufgabencharakteristik (van Donkelaar, 1999) diskutieren. Visuelle Illusionen bei Greifbewegungen scheinen auf der motorischen Ebene nur einen geringen Einfluss zu haben. Bei Greifbewegungen sind die absoluten physikalischen Eigenschaften des zu ergreifenden Objekts für das Erreichen des Handlungszieles wichtig. Bei Zeigebewegungen hingegen ist die visuelle Kontrolle der Bewegungstrajektorie für das Erreichen des Handlungszieles entscheidend. Auch sind Unterschiede hinsichtlich der motorischen Kontrollanforderungen zwischen den Experimenten zu konstatieren. Bei allen zuvor berichteten Experimenten hatten die Versuchspersonen visuelle Informationen über das Ziel. Durch die Instruktion, die Zeigebewegung so schnell wie möglich auszuführen (van Donkelaar, 1999), oder durch die Elimination visueller Informationen bei der Bewegungsausführung bei Franz und Kollegen (2000) war es den Versuchspersonen jedoch nicht möglich, visuelle Rückmeldungen über die Handposition während der Bewegungsausführung zu utilisieren. Informationen über das Bewegungsergebnis standen den Versuchspersonen erst nach Ende der Bewegung zur Verfügung. Alle Informationen für die Handlung mussten vor der Ausführung generiert und geplant bzw. anhand der vorhergehenden Bewegung korrigiert werden. Aglioti und Kollegen (1995) hingegen ermöglichten den Versuchsteilnehmern während der Bewegungsausführung die visuelle Kontrolle über 3 Sekunden eine ausreichende Zeitspanne, um feedbackbasiert visuelle Informationen für Korrekturen der Handposition während der Bewegung zu nutzen. Bei Aglioti kann man von einem visuell-visuellen Prozess der Handlungssteuerung sprechen, da hier die Handposition sowie das Ziel selber unmittelbar allozentrisch d. h. relativ zum Ziel lokalisiert werden kann, während diese Möglichkeit bei van Donkelaar entfiel (vgl. Heuer, 1992). Die nicht eindeutigen Ergebnismuster könnten somit auch auf die unterschiedlichen Prozesse der Handlungssteuerung (open-loop versus closed-loop) zurückgeführt werden (van Donkelaar, 1999; Glover, 2004). Unklar ist bislang jedoch, welche Effekte visuelle Illusionen auf reziproke, langdauernde, feedbackbasierte Zielbewegungen haben, welche der closedloop-kontrolle unterliegen. Die open-loop-kontrolle ermöglicht eine schnelle Bewegungsausführung, ohne auf Feedback zugreifen zu können, was aber auch gleichzeitig bedeutet, dass alle Größen für die Bewegung vor der Ausführung zur Verfügung stehen müssen (Glover, 2004). Durch die closed-loop-kontrolle kann während der Bewegungsausführung Feedback für die Fehlerkorrektur utilisiert werden, wodurch eine adaptive Bewegungssteuerung möglich ist (siehe bspw. Heuer, 1992). Ziel der hier präsentierten Studie war es, den Einfluss spezifischer Wahrnehmungseffekte, induziert durch eine optische Täuschung, auf die Handlung (perception for action) bei einer closed-loop-kontrollierten, reziproken Zielbewegung, zu untersuchen. Erweiternd zu den bisherigen Experimenten mit einer simultanen Größen-Kontrast-Illusion (Ebbinghaus-Titchener-Illusion) zur Manipulation visueller Informationen wird durch das Fitts'sche Gesetz die Schwierigkeit der Aufgabe auf der motorischen Ebene gezielt variiert. Auf der Grundlage der Überlegungen zur closed-loop-kontrolle und den theoretischen Annahmen zum perception-action -Modell, wonach das ventrale System vulnerabel gegenüber Illusionen ist und das dorsale System auf visuelle Informationen während der Handlungsausführung für online Bewegungskorrekturen angewiesen ist, sowie der Befunde von van Donkelaar (1999), gründen sich unsere beiden Hypothesen. Hypothese 1: Wenn spezifische Wahrnehmungseffekte, ausgelöst durch eine Ebbinghaus- Titchener-Illusion, eine reziproke, closed-loop-kontrollierte Zielbewegung beeinflussen, dann sollte nach dem Fitts`schen Gesetz die motorische Ausführungsleistung bei Zielen, die in einer Ebbinghaus-Titchener- Illusion phänomenal kleiner erscheinen, herabgesetzt sein. Zusätzlich sollte sich die Ausführungsleistung mit steigender ID verschlechtern. Hypothese 2: Wenn jedoch die spezifischen Wahrnehmungseffekte keinen Einfluss auf eine reziproke, closed-loop-kontrollierte Zielbewegung haben, dann sollte die motorische Ausführungsleistung durch die Ebbinghaus-Titchener- Illusion nicht beeinträchtigt sein, wohl aber durch steigende ID. Die Prüfung von Hypothese 1 würde den Befund von van Donkelaar auf closed-loop-kontrollierte Bewegungen erweitern und wäre inkompati-

4 138 Thomas Ellenbürger, Melanie Krüger, Charles H. Shea und Stefan Panzer bel mit dem perception-action -Modell, während die Bewährung von Hypothese 2 als partielle empirische Stützung für das perception-action -Modell gewertet werden könnte. Methode Versuchspersonen An dem Experiment nahmen 10 Studierende (M = 24.5 Jahre; SD = 2.6 Jahre; 4 Männer, 6 Frauen) als Versuchspersonen (Vpn) teil. Die Teilnahme an dem Experiment erfolgte freiwillig. Alle Vpn waren dominante Rechtshänder/Innen, und es lagen keine Einschränkungen in der Sehleistung vor bzw. waren diese entspreche nd korrigiert. Die Handpräferenz wurde mit dem Edinburgh Handedness Inventory von Oldfield (1971) ermittelt. Alle Vpn hatten keine Erfahrung mit der Aufgabe und gaben ihre Einverständniserklärung für die Teilnahme. Das Experimentalprotokoll war in Übereinstimmung mit der Deklaration von Helsinki. Apparatur Abbildung 1. Schematische Darstellung der Versuchsapparatur aus der Vogelperspektive und einer beispielhaften Ebbinghaus-Titchener-Illusion. Die Versuchskonfiguration bestand aus einem horizontal montierten Hebel (42 cm lang), der am proximalen Ende in einem Kugelmechanismus gelagert ist, so dass bei seiner Bewegung Reibungskräfte zu vernachlässigen waren. Am distalen Ende des Hebels war vertikal ein Griffstück fixiert. Dieses Griffstück ließ sich verstellen, sodass die Vpn jeweils ihren Unterarm bequem auf den Hebel legen konnten und der Ellenbogen am proximalen Ende des Hebels auflag (siehe Abbildung 1). Mittels eines Potentiometers (AW360 ZE der Firma Novotechnik; Agilent Messkarte; Dateneinzugsrate: 700 Hz) konnte die horizontale Bewegung des Hebels aufgezeichnet werden 1. Mit einem Beamer wurden Zielkreise auf eine weiße Wand frontal zu den Vpn projiziert. Der Abstand zwischen Vpn und Wand betrug 1m. Die Projektionsfläche betrug 1.0 x 1.0 m. Mit dem Hebel konnte ein auf die Wand projizierter Cursor bewegt werden. Prozedur Bei Betreten des Versuchsraumes erhielten die Vpn eine schriftliche Instruktion. Sie wurden zunächst gebeten, sich auf einen höhenverstellbaren Stuhl zu setzen. Die Sitzfläche wurde so justiert, dass die Vpn die Ziele sehen konnten, Ellenbogen und Schultergelenk in einer Ebene lagen und sich das Ellenbogengelenk am proximalen Ende des Hebels befand. Die Aufgabe der Vpn war es, mittels einer Flexions-Extensionsbewegung im rechten Ellenbogengelenk 30 s lang den Cursor abwechselnd in die beiden Zielkreise zu bewegen. Die Instruktion lautete, dies so genau und so schnell wie möglich zu machen. Nach dem Ende der 30 s hatten die Vpn eine Pause von zwei Minuten. Der Startpunkt lag in der Mitte der beiden Ziele. Die Vpn sollten danach den Hebel zunächst in den rechten Zielkreis bewegen. Die visuellen Informationen wurden über eine Ebbinghaus-Titchener-Illusion manipuliert. Hierzu wurden zwei gleichgroße Zielkreise horizontal gegenüber voneinander positioniert. Die Größen-Kontraste wurden erzeugt, indem (a) 11 kleine Kreise um den Zielkreis positioniert wurden oder (b) 5 große Kreise um den gleichen Zielkreis. Die Zielkreise waren bei gleicher ID gleich groß. In Variante (a) erschien der Zielkreis größer, in Variante (b) kleiner. Der Schwierigkeitsindex war mit ID = 3 (leicht) und ID = 4.5 (schwierig) festgelegt (siehe Kovacs, Buchanan & Shea, 2008). Erzeugt wurden die beiden IDs durch unterschiedliche Größen der Zielkreise (W) von 40 mm (ID = 3) und 14 mm (ID = 4.5) bei gleichbleibender Amplitude von 160 mm, die mit dem Cursor über die Hebelbewegung zurückgelegt werden musste. Die Durchmesser der umrundenden Kreise bei ID = 3 waren für die kleinen Kreise 12 mm und für die großen Kreise 60 mm. Für die ID = 4.5 waren die Durchmesser 4 mm für die kleinen und 21 mm 1 Die Praktikabilität der Apparatur hat sich schon in anderen Experimenten mit einer unterschiedlichen Fragestellung bewährt (vgl. bspw. Panzer, Mühlbauer, Krüger, Büsch, Naundorf & Shea, 2009).

5 Wahrnehmung und Handlung 139 Abbildung 2. Schematische Darstellung der simultanen Größen-Kontrast-Illusion nach Ebbinghaus-Titchener. Die Abbildungen A und B sind die Konfigurationen für die ID = 3. Die Abbildungen C und D sind die Konfigurationen für die ID = 4.5. für die großen Kreise. Die Vpn wurden in unvollständiger, ausbalancierter Reihenfolge (Westermann, 2000) mit den zwei unterschiedlichen IDs und dem Illusionseffekt konfrontiert. Dabei war einmal der größer erscheinende Zielkreis, Variante (a), rechts von den Vpn platziert und der kleiner erscheinende Zielkreis, die Variante (b), links; ein anderes Mal wurde die Variante (a) links und (b) rechts positioniert (siehe Abbildung 2). Dadurch sollten mögliche Effekte von Flexion und Extension kontrolliert werden. Jede ID und jede visuelle Präsentation sollte zweimal ausgeführt werden, womit die Vpn acht Blöcke zu absolvieren hatten. Datenanalyse, abhängige Variablen und statistische Auswertung Die Analyse der Daten erfolgte mittels MatLab 2011b (Mathworks, Natick, MA). Die Winkel-Zeitverläufe wurden über einen Butterworth Filter zweiter Ordnung, mit einer Cut-off -Frequenz von 10 Hz gefiltert. Alle abhängigen Variablen wurden auf der Basis eines Halbzyklus berechnet. Für jeden Halbzyklus wurde der Bewegungsanfang als jener Zeitpunkt definiert, zu dem unter Zurückrechnung vom Geschwindigkeitsmaximum 2,5 % der maximalen Geschwindigkeit im jeweiligen Halbzyklus überschritten wurde. Das Bewegungsende wurde unter Vorwärtsrechnung bestimmt, wenn nach dem Erreichen der maximalen Geschwindigkeit im Halbzyklus und vor der Umkehr zur nächsten Bewegungsrichtung ein Wert von 2,5 % der maximalen Geschwindigkeit unterschritten wurde. Die Bewegungszeit (MT) wurde berechnet nach der Formel MT = Bewegungsende (i) Bewegungsanfang (i). Die Zeit, welche benötigt wurde, um die Bewegungsumkehr von einem Ziel zum anderen einzuleiten, wird als Dwelltime (DT) bezeichnet. DT berechnete sich aus Bewegungsanfang (i + 1) Bewegungsende (i). Als ein weiteres Maß zur Beschreibung der Kinematik wurde die Harmonicity (H) analysiert. Das Maß H beschreibt Korrekturen während der Bewegungsausführung und ist ein Indikator dafür, ob die Bewegung ohne Unterbrechung zyklisch bzw. kontinuierlich ausgeführt wird oder aber als diskrete Bewegungszustände mit Unterbrechungen, als Folge des Abbremsens der Bewegung, was sich in der Bewegungstrajektorie als Nulldurchgang im Beschleunigungszeitverlauf zeigt (vgl. Guiard, 1993; 1997). Um H zu berechnen, wurden die Nulldurchgänge des Halbzyklus als Grenzen bestimmt und mit dem korrespondierenden Beschleunigungszeitverlauf in Beziehung gesetzt. Hatte der Beschleunigungszeitverlauf in dem Zeitfenster einen Umkehrpunkt, dann wurde H als Quotient aus dem lokalen Minimum zum lokalen Maximum des Beschleunigungszeitverlaufs berechnet (siehe Abbildung 3 oben). Zeigte der Beschleunigungszeitverlauf im entsprechenden Zeitfenster nur ein Maximum, dann wurde H gleich 1 gesetzt (siehe Abbildung 3, oben). Wechselte der Beschleunigungszeitverlauf von einem positiven in einen negativen Wert oder umgekehrt, dann wurde H als 0 definiert (siehe Abbildung 3 unten; vgl. Kovacs et al., 2008). Berechnet wurde der Mittelwert aller H-Werte in einem Versuchsblock. Zusammengefasst ergaben sich damit drei abhängige Variablen, MT, DT und H. Abbildung 3 zeigt exemplarisch das Profil von Halbzyklen in einem Winkelzeitverlauf und einem Beschleunigungszeitverlauf. Der superpositionierte Winkelzeit- und Beschleunigungszeitverlauf wird zur Analyse der Harmonicity bei der Versuchsperson (Vp) ACU bei ID = 3 (obere Abbildung) und ID = 4.5 (untere Abbildung) verwendet. Es wurden nur Datensätze von Vpn in die Analyse einbezogen, deren Fehlerwert, also das inkorrekte Ansteuern der vorgegebenen Ziele durch Über- oder Unterschießen der Zielkreise, kleiner als 10 % war. Um die Illusionseffekte zu analysieren, wurden die Datensätze so organisiert, dass jeweils alle Daten, welche aus einem Zielkreis mit umgebenen kleinen Kreisen (im Weiteren als big bezeichnet, da der Zielkreis größer erscheint) resultierten, zusam-

6 140 Thomas Ellenbürger, Melanie Krüger, Charles H. Shea und Stefan Panzer Abbildung 4. Mittelwerte und Standardfehler des Mittelwertes der MT für ID 3 und ID 4.5 sowie der visuellen Illusion. Die Variante, in der der Zielkreis von 11 kleineren Kreisen umrundet wird und damit größer erscheint, wird als big bezeichnet. Die Variante, in der der Zielkreis von 5 größeren Kreisen umrundet wird und damit kleiner erscheint, wird als small bezeichnet. Ergebnisse zur Bewegungszeit (MT) Abbildung 3. Dargestellt sind Halbzyklen des Winkelzeitverlaufs und des superpositionierten Beschleunigungszeitverlaufs der Vpn ACU bei einer ID von 3 (obere Abbildung) und 4.5 (untere Abbildung). mengefügt wurden sowie jene, bei denen der Zielkreis von großen Kreisen (im weiteren als small bezeichnet, da der Zielkreis kleiner erscheint) umgeben war, zusammengefasst wurden. Die statistische Analyse erfolgte mittels der SPSS- Version Generell wurde bei einem p <.05 die betreffende statistische Nullhypothese abgelehnt. Bei den Varianzanalysen mit Messwiederholung wurde die Verletzung der Sphärizitätsannahme mit dem konservativen Greenhouse-Geisser-Epsilon korrigiert. Die Bestimmung und Klassifikation der Effektgrößen erfolgte unter Verwendung des partiellen η² p (vgl. Cohen, 1988). Ergebnisse Die MT, DT und Harmonicity wurden in einer 2 (ID: 3, 4.5) x 2 (Illusion: small, big) Varianzanalyse (ANOVA) mit Messwiederholung auf beiden Faktoren statistisch analysiert. Im Weiteren werden die statistischen Ergebnisse für MT, DT und Harmonicity getrennt dargestellt. In Abbildung 4 sind die mittleren MT sowie deren Standardfehler für die beiden IDs und die visuelle Illusion dargestellt. Die statistische Analyse indiziert einen Haupteffekt ID, F [Greenhouse-Geisser-Epsilon-Korrektur] (1,9) = 5.05, p =.05, η² p =.36, sowie einen Haupteffekt Illusion F(1,9) = 6.51, p <.05, η² p =.42. Die Interaktion ist statistisch nicht signifikant F(1,9) < 1, p >.05. Die MT wird mit steigendem Schwierigkeitsindex größer und ist von der visuellen Illusion derart beeinflusst, dass Ziele, die von größeren Kreisen umrundet sind (d. h. kleiner erscheinen), eine längere MT bedingen als Zielkreise, die von kleineren Kreisen umrundet sind. Ergebnisse zur Dwelltime (DT) Die Abbildung 5 zeigt den Mittelwert und den Standardfehler der DT. Für die DT indiziert die ANOVA einen Haupteffekt ID, F(1,9) = 5.79, p <.05, η² p =.39, sowie einen Haupteffekt Illusion F(1,9) = 11.50, p < =.05, η² p =.46. Wiederum ist die Interaktion statistisch nicht signifikant F(1,9) < 1, p >.05. Mit zunehmender ID und durch die visuelle Größen-Kontrast-Illusion verlängert sich die DT. Ergebnisse Harmonicity (H) Die Abbildung 6 zeigt den Mittelwert und den Standardfehler der H. Die Analyse der H zeigt einen In-

7 Wahrnehmung und Handlung 141 Diskussion Abbildung 5. Mittelwerte und Standardfehler des Mittelwertes der DT für ID 3 und ID 4.5 sowie der visuellen Illusion. Die Variante, in der der Zielkreis von 11 kleineren Kreisen umrundet wird und damit größer erscheint, wird als big bezeichnet. Die Variante, in der der Zielkreis von 5 größeren Kreisen umrundet wird und damit kleiner erscheint, wird als small bezeichnet. teraktionseffekt ID x Illusion, F(1,9) = 5.49, p <.05, η² p =.38. Die beiden Haupteffekte ID, F(1,9) = 3.46, p >.05 sowie Illusion F(1,9) < 1, p >.05 verfehlen die statistische Signifikanz. Die post-hoc-analyse der Interaktion indiziert, dass es einen Unterschied zwischen den IDs bei dem Illusionseffekt small gibt (siehe Abbildung 6). Bewegungen zu dem Zielkreis, welcher von großen Kreisen umrundet ist und phänomenal kleiner erscheint, werden bei einer ID von 4.5 mit einem geringeren Harmonicity-Wert ausgeführt. Abbildung 6. Mittelwerte und Standardfehler des Mittelwertes der Harmonicity-Werte für ID 3 und ID 4.5 sowie der visuellen Illusion. Die Variante, in der der Zielkreis von 11 kleineren Kreisen umrundet wird und damit größer erscheint, wird als big bezeichnet. Die Variante, in der der Zielkreis von 5 größeren Kreisen umrundet wird und damit kleiner erscheint, wird als small bezeichnet. Die Klammer mit dem Stern markiert den signifikanten post-hoc-test. Die Zielstellung der Versuchsanordnung lag in der Untersuchung des Einflusses spezifischer Wahrnehmungseffekte auf die Handlung bei einer zyklischen, closed-loop-kontrollierten Zielbewegung. Die spezifischen Wahrnehmungseffekte wurden über eine Ebbinghaus-Titchener-Illusion erzeugt. Hierzu wurden zwei gleichgroße Zielkreise von kleineren bzw. größeren Kreisen umrundet, so dass bei der Wahrnehmung der visuelle Eindruck entstand, dass sich beide Zielkreise in der Größe unterscheiden. Die beiden Zielkreise wurden kontrastierend gegenübergestellt. Zusätzlich wurde die Schwierigkeit der Aufgabe mittels des Schwierigkeitsindex über das Fitts sche Gesetz systematisch variiert. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass der Illusionseffekt die motorische Handlung beeinflusst. Die Vpn benötigen für den von großen Kreisen umrundeten Zielkreis (kleiner erscheinend) im Mittel eine signifikant höhere MT und weisen eine höhere DT auf, als der von kleineren Kreisen umrundete Zielkreis (größer erscheinend). Auch ist zu konstatieren, dass kleiner wahrgenommene Zielkreise, sowohl bei einer ID von 3 als auch von 4.5, mit einer höheren MT und DT korrespondieren als größer wahrgenommene Zielkreise. Weiter zeigt sich, dass mit zunehmender ID (von 3 zu 4.5) MT und DT ansteigen. Zusammengenommen führt das vorliegende Ergebnismuster zur Ablehnung von Hypothese 2 und zur Beibehaltung von Hypothese 1 und erweitert somit die aktuelle Befundlage zu visuellen Illusionseffekten auf closedloop-kontrollierte Zielbewegungen. Die vorliegenden Befunde korrespondieren nicht nur mit den Ergebnissen von van Donkelaar (1999), dass eine visuelle Fehlinterpretation von Zielgrößen das Handlungsergebnis beeinträchtigt, sondern auch mit der Vielzahl von Untersuchungen zum Fitts schen Gesetz. Dies sagt voraus, dass mit zunehmender Aufgabenschwierigkeit MT und DT ansteigen (vgl. Boyle & Shea, 2011; Fitts, 1954; Kwon, Zelaznik, Chiu, & Pizlo, 2011; Wu, Yang, & Honda, 2010, für aktuelle Studien). Die Ergebnisse legen nahe, dass die Bewegungszeit (MT) und die Dwelltime (DT) bei einer präzisen Handlungsausführung nicht nur von der Schwierigkeit der Aufgabe abhängig sind, sondern zusätzlich noch von der Wahrnehmung der Kontextbedingungen, in welcher diese Handlung ausgeführt werden muss. Die beiden resultierenden statistischen Haupteffekte Illusion für MT und DT sind mit η²p =.42 für die MT und η²p =.46 für die DT als groß einzuordnen (vgl. Cohen, 1988) und erlangen damit auch eine praktische Bedeutsamkeit. Diskutiert man die vorliegenden Befunde unter dem Aspekt motorischer Kontroll- und Ausführungs-

8 142 Thomas Ellenbürger, Melanie Krüger, Charles H. Shea und Stefan Panzer prozesse, sollte nicht unerwähnt bleiben, dass in den Untersuchungen von van Donkelaar (1999) oder auch Franz und Kollegen (2000) Aufgaben eingesetzt wurden, welche einer open-loop-kontrolle unterlagen. Informationen über das Bewegungsziel als auch über das Bewegungsergebnis standen den Vpn zwar zur Verfügung, doch bewegungsbegleitende visuelle und propriozeptive Informationen konnten für Bewegungskorrekturen aufgrund der Aufgabenstellung die Bewegung so schnell wie möglich auszuführen oder für den Entzug visueller Kontrolle über Handposition während der Bewegungsausführung nicht genutzt werden. Die in der hier präsentierten Untersuchung verwendete Aufgabe unterliegt hinsichtlich ihrer Dauer einer closed-loop-kontrolle. Die mittlere MT für einen Halbzyklus rangiert von 0,57 s für die ID = 3, Bedingung big, bis zu 0,69 s für ID = 4.5, Bedingung small. Diese Zeitspanne kann für beide IDs und unter beiden Illusionsbedingungen als ausreichend betrachtet werden, um bewegungsbezogenes Feedback für Bewegungskorrekturen nutzen zu können (Heuer, 1992). Den Vpn standen damit über die gesamte Zeitdauer des Versuchsblocks (30 s) bewegungsbezogene visuelle und propriozeptive Informationen über das Bewegungsziel, die Handposition oder den mit der Hand produzierten Effekt über die Cursorposition zur Verfügung. Zusätzlich hatten die Vpn auch eine Information über das Bewegungsergebnis ( Kreis getroffen vs. Kreis nicht getroffen ). Den Vpn war es somit generell möglich, feedbackbasierte Informationen zu generieren und Fehler während der Bewegungsausführung online zu korrigieren. Auch in dieser Situation, in welcher die Hand allozentrisch, d. h. relativ zum Ziel lokalisiert werden kann, zeigt sich, dass es durch die Größen-Kontrast-Illusion zu einer Beeinträchtigung der Handlungsausführung kommt. Interessant ist der Befund zum Harmonicity-Wert, welcher bei steigender ID und der small -Darstellung (kleiner wahrgenommener Zielkreis) absinkt, nicht aber, wenn die Darstellung big (größer wahrgenommener Zielkreis) war. Der Zielkreis, welcher mit größeren Kreisen umrundet war, zeigt bei einer ID von 4.5, dass im Winkelzeitverlauf in einem Halbzyklus vermehrt Umkehrpunkte entstehen bzw. die Bewegung abgebremst wird. Dies führt zu Nulldurchgängen im Beschleunigungszeitverlauf, was darauf hindeutet, dass die Vpn für die Zielerreichung die Bewegung segmentieren (vgl. Crossman & Goodeve, 1983; Meyer, Kornblum, Abrams, Wright & Smith, 1988; Plamondon & Alimi, 1997). Für den Zielkreis, der von kleineren Kreisen umgeben ist, ist dies in dem Ausmaß nicht zu konstatieren (siehe auch Abbildung 6). Mit einer zunehmenden ID und einem kleiner wahrgenommenen Ziel tendiert die Harmonicity in Richtung 0,5, was den Übergang von einer kontinuierlichen, zyklischen Bewegung hin zu einer Abfolge von diskreten Bewegungszuständen charakterisiert (vgl. Guiard, 1993; Kovacs et al., 2008; Kovacs, Boyle, Gruetzmacher & Shea, 2010). Steigende ID bedingt eine generelle Verlangsamung der Bewegungsausführung, wobei die zusätzliche visuelle Illusion das motorische System zu Bewegungskorrekturen während der Bewegungsausführung zwingt. Die Bewegung muss an das fehlinterpretierte Ziel angepasst werden, was Zeit beansprucht. Eine Annahme des perception-action -Modells (vgl. Milner & Goodale, 2008) ist, dass visuelle Informationen getrennt für die Wahrnehmung und die Handlung verarbeitet werden. Ein Teil der Annahme basiert auf der Überlegung, dass visuelle Illusionen, induziert über eine Ebbinghaus-Titchener-Illusion, die Wahrnehmung beeinträchtigten, nicht jedoch die Handlung. Die vorliegenden Ergebnisse sind nicht kompatibel mit der Modellannahme, sondern lassen eher auf eine gegenteilige Annahme schließen, dass Wahrnehmung und Handlung die gleiche Repräsentation für die Verarbeitung visueller Informationen nutzen. Zusammengenommen korrespondieren die Befunde aus dem vorliegenden Experiment nicht mit den Vorstellungen des perception-action -Modells (Milner & Goodale, 1993; 1995). Es zeigt sich keine empirische Evidenz für eine klare Trennung der Nutzung visueller Informationen für Wahrnehmung ( vision for perception ) und Handlung ( vision for action ), welche in der Regel auf distinkte kortikale Verarbeitungsströme im ventralen oder dorsalen System zurückgeführt wird. Dieses Ergebnis reiht sich damit in eine ganze Reihe von Befunden mit unterschiedlichen Aufgaben (Greifbewegungen, Zeigebewegungen), unterschiedlichen Illusionseffekten (Ebbinghaus-Titchener-Illusion, Müller-Lyer-Illusion) sowie unterschiedlichen räumlichen Aspekten der Illusion ein (van Donkelaar, 1999; Franz et al., 2000; Franz, Hesse & Kollath, 2009; de Grave et al., 2005; Mendoza, Hansen, Glazebrook, Keetch & Elliot, 2005; Pavani et al, 1999; Smeets, Brenner, de Grave & Cuijpers, 2002) und erweitert den Befund auf zyklische, closed-loop-basierte Zielbewegungen. Diskutieren lässt sich, dass die visuellen Informationen über das Bewegungsziel die Basis für die Transformation in angemessene motorische Koordinaten bilden, die das bewegungsproduzierende System für die zielgenaue Ausführung der Handlung benötigt. Die durch die visuelle Illusion erzeugte Fehlinterpretation kann im motorischen System nicht korrigiert werden. Der Befund legt nahe, dass in dem Illusionsexperiment und bei der Verwendung einer zyklischen Zielbewegung die visuellen Informationen für Wahrnehmung und Handlung in der gleichen Repräsentation verarbeitet werden. Die in der Überschrift des Beitrages

9 Wahrnehmung und Handlung 143 gestellte Frage, ob motorische Handlungen eine präzise Wahrnehmung erfordern, lässt sich, wenn auch vorsichtig, anhand der vorliegenden empirischen Befunde für zyklische Zielbewegungen bestätigen. Neben der konzeptionellen Replikation der Ergebnisse wäre es für zukünftige Untersuchungen von Interesse, ob es unter Übung mit optischer Täuschung zu einer Verbesserung in der motorischen Ausführungsleistung kommt. Eine solche Studie hätte nicht nur ein theoretisches Anliegen, sondern auch ein praktisches. Theoretisch würde man Informationen darüber erhalten, ob durch Übung die Fehlinterpretation reduziert und damit die Fehlinterpretation der visuellen Informationen in die Repräsentation integriert werden können (Wolpert, Diederichsen & Flanagan, 2011), während man praktisch darüber Informationen erhalten könnte, wie ein Sportler seine Wahrnehmung an unterschiedliche äußere Bedingungen effektiv und effizient anpassen kann. Literatur Aglioti, S., DeSouza, J. F. & Goodale, M. A. (1995). Sizecontrast illusions deceive the eye but not the hand. Current Biology, 5, Boyle, J. & Shea, C. H. (2011). The control of wrist and arm movements of varying difficulties. Acta Psychologica, 137, Boyle, J., Panzer, S., Wright, D. & Shea, C. H. (2012). Extended practice of reciprocal wrist and arm movements of varying difficulties. Acta Psychologica, 140, Brenner, E. & Smeets, J. B. J. (1996). Size illusion influences how we lift but not how we grasp an object. Experimental Brain Research, 111, Cohen, J. (1988). Statistical power analysis for the behavioral sciences (2 nd ed.). Hilsdale, Nj, Erlbaum. Crossman E. R. F. W. & Goodeve P. J. (1983). Feedback control of hand movement and Fitts law. Quarterly Journal of Experimental Psychology, 35A, Donkelaar, P. van (1999). Pointing movements are affected by size-contrast illusions. Experimental Brain Research, 125, Fitts, P. M. (1954). The information capacity of the human motor system in controlling the amplitude of movement. Journal of Experimental Psychology, 47, Franz, V. H., Gegenfurtner, K. R., Bülthoff, H. H., & Fahle, M. (2000). Grasping visual illusions: no evidence for a dissociation between perception and action. Psychological Science, 11(1), Franz, V. H., Hesse, C. & Kollath, S. (2009). Visual illusions, delayed grasping, and memory: No shift from dorsal to ventral control. Neuropsychologica, 47, Gentilucci, M., Chieffi, S., Deprati, E., Saetti, M. C. & Toni, I. (1996). Visual illusion and action. Neuropsychologia, 34, Glover, S. (2004). Separate visual representations in the planning and control of action. Behavioral and Brain Sciences, 27(1), Goodale, M. A. & Milner, A. D. (1992). Separate visual pathways for perception and action. Trends in Neuroscience, 15(1), Grafton, S. (2010). The cognitive neuroscience of prehension: recent developments. Experimental Brain Research, 204, Grave, D. D. de, Biegstraaten, M., Smeets, J. B. & Brenner, E. (2005). Effects of the Ebbinghaus figure on grasping are not only due to misjudged size. Experimental Brain Research, 163, Guiard, Y., (1993). On Fitts s and Hooke s laws: simple harmonic movement in upper-limb cyclical aiming. Acta Psychologica, 82, Guiard, Y. (1997). Fitts law in the discrete vs. cyclical paradigm. Human Movement Science, 16, Haffenden, A. M. & Goodale, M. A. (1998). The effect of pictorial illusion on prehension and perception. Journal of Cognitive Neuroscience 10, Haffenden, A. M. & Goodale, M. A. (2000). The effect of learned perceptual associations on visuomotor programming varies with kinematic demands. Journal of Cognitive Neuroscience 12, Heuer, H. (1992). Psychomotorik. In H. Spada (Hrsg.). Allgemeine Psychologie (S ). Bern: Huber. Keele, S. W., Ivry, R., Mayr, U., Hazeltine, E. & Heuer, H. (2003). The cognitive and neural architecture of sequence representation. Psychological Review, 110, Kwon, O. S., Zelaznik, H. N., Chiu, G. & Pizlo, Z. (2011). Human motor transfer is determined by the scaling of size and accuracy of movement. Journal of Motor Behavior, 43, Kovacs, A. J., Buchanan, J. J. & Shea, C. H. (2008). Perceptual influences on Fitts law. Experimental Brain Research, 190, Kovacs, A. J., Boyle, J., Gruetzmacher, N. & Shea, C. H. (2010). Coding of on-line and pre-planned movement sequences. Acta Psychologica, 133, Kühn, A. ( ) Federer kämpft gegen optische Täuschung. Baseler Zeitung. Zugriff am Verfügbar unter Mendoza, J., Hansen, S. Glazebrook, C. M., Keetch, M. & Elliot, D. (2005). Visual illusions affect both movement planning and on-line control: A multiple cue position on bias and goal-directed action. Human Movement Science, 24, Meyer, D. E., Kornblum, S., Abrams, R. A., Wright, C. E. & Smith, J. E. K. (1988). Optimality in human motor performance: Ideal control of rapid aimed movements. Psychological Review, 95, Milner, A. D. & Goodale, M. A. (1993). Visual pathways to perception and action. Progress in Brain Research, 95, Milner, A. D. & Goodale, M. A. (1995). The visual brain in action. Oxford: University Press. Milner, A. D. & Goodale, M. A. (2008). Two visual systems re-viewed. Neuropsychologica, 46, Oldfield, R. C. (1971). The assessment and analysis of handedness: The Edinburgh inventory. Neuropsychologica, 9(1), Panzer, S., Mühlbauer, T., Krüger, M., Büsch, D., Naundorf, F. & Shea, C. H. (2009). Inter-practice on coding and learning of movement sequences. The Quarterly Journal of Experimental Psychology, 62, Pavani, F., Boscagli, I., Benvenuti, F., Rabuffetti, M. & Farnè, A. (1999). Are perception and action affected dif-

10 144 Thomas Ellenbürger, Melanie Krüger, Charles H. Shea und Stefan Panzer ferently by the Titchener circles illusion? Experimental Brain Research, 127, Plamondon, R. & Alimi, A. M. (1997). Speed-accuracy trade-offs in target-directed movements. Behavioral and Brain Sciences, 20, Prinz, W. & Hommel, B. (Eds.) (2002). Common mechanisms in perception and action: Attention & Performance XIX. Oxford: Oxford University Press. Rosenbaum, D. (2002). Motor Control. In H. Pashler & S. Yantis (Eds.), Stevens handbook of experimental psychology (Vol. 1 pp ). New York: Wiley. Smeets, J. B., Brenner, E., de Grave, D. D. & Cuijpers, R. H. (2002). Illusions in action: consequences of inconsistent processing of spatial attributes. Experimental Brain Research, 147, Thier, P. (2006). Grundlagen zielgerichteter Motorik. In O. Karnath & P. Thier (Hrsg.). Neuropsychologie (S ) Heidelberg: Springer. Ungerleider, L. G. & Mishkin, M. (1982). Two cortical visual systems. In D. J. Ingle, M. A. Goodale & R. J. W. Mansfield (Eds), Analysis of visual behavior (pp ). MIT Press. Westermann, R. (2000). Wissenschaftstheorie und Experimentalmethodik. Göttingen: Hogrefe. Wolpert, D. M., Diederichsen, J. & Flanagan, R. (2011). Principles of sensorimotor learning. Nature Reviews Neuroscience, 12, Wu, J. L., Yang, J. J., & Honda, T. (2010). Fitts law holds for pointing movements under conditions of restricted visual feedback. Human Movement Science, 29, Stefan Panzer Universität des Saarlandes Im Stadtwald B Saarbrücken s.panzer@mx.uni-saarland.de