Verborgen beweging

Zien we de wereld zoals-ie is, of maken we er zelf een beeld van? De perceptie-experimenten van Lex Wertheim tonen het laatste aan. `Je ziet niet wat je ziet'.

LEX WERTHEIM neemt me mee naar een stevige schuur achter zijn huis in Maarsbergen. Daar is zijn werkkamer. Wertheim is hoogleraar toegepaste functieleer in Utrecht. Het gespreksonderwerp is de waarneming van beweging, bewegingsperceptie. Eerst dus maar even een experiment. Op een laptopscherm laat hij een patroon van bewegende strepen verschijnen. Blauwe en groene staande strepen van twee centimeter breed schuiven traag van links naar rechts over het scherm.

``Kijk goed naar wat er met de strepen gebeurt', zegt hij als ik in een stoel tegenover hem zit. Plotseling beweegt hij de laptop in horizontale richting.

``Nou?', vraagt hij, als ik verbluft zwijg.

De strepen stonden even stil!

Het kan ook anders. Hij zet de laptop op zijn bureau. De strepen schuiven weer gestaag van links naar rechts. Wertheim instrueert me om in flinke pas langs het bureau te lopen.

Weer bevriest de beweging op het scherm.

``Daar kun je misschien nog een verklaring voor verzinnen, maar nu het volgende. Ga maar in die stoel zitten.' Het is een op één poot draaibare bureaustoel. Als ik zit krijg ik de laptop op schoot. Goed stilhouden en blijven kijken, luidt de instructie. De strepen bewegen. Wertheim geeft de stoel een zwieperd, zodat ik ronddraai.

Ik had het inmiddels al gedacht, maar begrijp er niets van: weer staan de strepen stil.

Vergenoegd kijkt Wertheim naar mijn verbazing over wat hij de bevriesillusie noemt. De verklaring van die illusie vestigde zijn naam in het vakgebied van de bewegingsperceptie. Wertheim heeft het grootste deel van zijn werkzame leven op het instituut voor zintuigfysiologie van TNO (later omgedoopt tot TNO Technische Menskunde) in Soesterberg gewerkt. Onderzoekers bij TNO doen veel praktisch werk. Het fundamentele werk aan bewegingsperceptie vormde een klein, maar jarenlang volgehouden deel van Wertheims werk. Het vakgebied ontwikkelt zich ook internationaal langzaam. Iedere tien jaar een doorbraak is al mooi. Wertheim leverde er twee: rond 1980 en 1990. Voor je het weet praat je over de Duitse fysicus Hermann von Helmholtz die in 1867 zijn `Handbuch der Physiologischen Optik' publiceerde.

Waarnemen begint met zien. De lenzen in onze ogen projecteren een beeld van de omgeving op onze netvliezen. Die beeldvorming is pure optica. Beweegt de omgeving, dan beweegt een beeld ervan over het netvlies. Maar in plaats van die beweging buiten onszelf, kunnen ook onze oogbollen in hun kassen draaien; we kunnen ons hoofd draaien en we kunnen zelf bewegen. Dan kan de omgeving toch steeds op dezelfde manier over het netvlies bewegen. Hoe weten je hersens wat er echt beweegt?

relatief ``Je ziet niet wat je ziet. Die is al van Immanuel Kant,' zegt Wertheim. Niet de minsten hebben over de waarneming gepiekerd. ``Ik ben het met Kant eens,' maakt Wertheim maar meteen duidelijk. ``Beweging is relatief. Je genereert zélf de waarneming dat iets buiten jezelf beweegt of stilstaat. Maar er is een school van perceptie-onderzoekers die er anders over denkt. Die vindt dat het waarnemen in wezen absoluut is. Voor de fysicus, die denkt in coördinatenstelsels die vast staan of meebewegen, maakt het niet uit of een rijdende auto zelf over de weg beweegt, of dat de weg onder de stilstaande auto doorglijdt. Het is maar waar je het assenstelsel in fixeert. Voor de psychologen maakt het echter wél uit. En voor de functieleeronderzoekers – een weer wat hardere tak in de psychologie – helemaal. Die willen gewoon weten welke neurale mechanismen betrokken zijn.'

De twee waarnemingsscholen ontstonden in de tweede helft van de vorige eeuw. En dus ontstond er ook een scholenstrijd. Waar Wertheim partij in is. Zijn tegenstanders zitten in de school van de ecologische psychologie van grondlegger J.J. Gibson. Gibson zei, in navolging van zijn leermeester Hans Wallach, dat je alle bewegingen om je heen direct en correct kunt waarnemen. Integendeel, zegt Wertheim: ``beweging is de uitkomst van wat hersenen uitrekenen of interpreteren.'

Het conflict spitst zich toe op de vraag of we de wereld kunnen waarnemen zoals hij echt is. Of we aan onze ogen genoeg hebben om alles waar te nemen. Ja, zegt de school van Gibson, wij zien de wereld zoals hij is en als dat niet zo was, als onze hersenen voortdurend aan het interpreteren zijn, dan zouden we veel fouten maken en voortdurend overal tegen op lopen. Nee, zegt Wertheim, ``want er komt weliswaar visuele informatie van buiten op ons netvlies, maar de bewegingswaarneming genereren we zelf. Die hangt af van de manier waarop we de binnengekomen informatie verwerken. Het is niet de prikkel, maar wat we ermee doen.'

Tijd voor een volgend proefje. Houd je duim aan een gestrekte arm voor je, beweeg hem van rechts naar links en volg hem met je ogen. Wertheim: ``Dan beweegt volgens de wetten van de optica het beeld van de omgeving over je netvlies en het beeld van je duim staat stil op je netvlies. Maar als iemand aan je vraagt wat er gebeurt, zeg je `ik zie mijn duim bewegen en ik zie de omgeving stil staan'. Dat is dus net het omgekeerde van wat er op het netvlies gebeurt.' Wertheim wil er maar mee aantonen dat als je iets ziet bewegen, er niet noodzakelijk ook een beweging op je netvlies is. De functieleer, een discipline binnen de psychologie, moest daar een verklaring voor vinden.

De Gibsonschool beredeneert dat er een neuraal mechanisme in het netvlies is dat waarneemt als een achtergrondbeeld op het netvlies wordt `overdekt' door de afbeelding van een bewegend object. Onze duim bedekt aan de ene kant steeds delen van de achtergrond en heft aan de andere kant de bedekking op. Dat kan.

Maar nu het vliegtuig in de stralend blauwe lucht dat we met onze ogen volgen. Wertheim: ``Het is overduidelijk dat er dan op je netvlies helemaal niets verandert als je meebeweegt. De achtergrond wordt niet merkbaar overdekt want de lucht is overal even blauw. Maar in onze perceptie beweegt het vliegtuig wel degelijk. Het is een verschijnsel dat Gibsonschool niet kan verklaren zonder hulpmiddelen die buiten het netvlies liggen. En dat wilden ze eigenlijk niet.'

Wertheim: ``Een verklaring waar je veel verder mee komt is dat de hersenen de informatie van het netvlies combineren met informatie over de bewegingen van de oogbol en over door het evenwichtsorgaan waargenomen bewegingen van hoofd en lichaam. De hersenen trekken de snelheid waarmee een object over het netvlies beweegt af van de bewegingssnelheid van de oogbollen in de oogkassen en van de hoofdbewegingen die het evenwichtsorgaan waarneemt.' Daarmee is bewegingswaarneming niet langer absoluut, maar relatief. Het gaat om een verschil tussen twee neurale signalen: een retinaal bewegingssignaal en een zelfbewegingssignaal.

De oorsprong van die theorie is van Helmholtz. Gepubliceerd in 1867. Die realiseerde zich dat we onze ogen en hoofd met een bewegend ding kunnen meebewegen. Zodat er op het netvlies soms helemaal geen beweging is. Helmholtz stelde dat er een `wil' tot bewegen van de ogen is, en dat die `wilsimpuls' retinale bewegingssignalen herinterpreteert. De Duitse fysiologen Van Holst en Mittelstaedt herformuleerden dat principe in de jaren vijftig van de vorige eeuw in moderne termen tot een automatisme in de bewegingswaarneming: het van elkaar aftrekken van het retinale signaal en het zelfbewegingssignaal. Wertheim: ``Is het verschil in grootte van zo'n signaal nul, dan zie je niets bewegen, want wat er op je netvlies gebeurt is dan het gevolg van zelfbeweging. Is het verschil ongelijk aan nul dan zie je beweging.'

Het was een mooie theorie van Van Holst en Mittelstaedt. Maar de bevriesillusie is er niet mee te verklaren. Waarom stonden de bewegende strepen op de laptop plots stil toen de laptop bewoog?

Hier duikt de wet van Weber op. Eind negentiende eeuw stelde die fysioloog dat een mens pas verschillen waarneemt als er een vast percentage verschil bestaat tussen de twee zaken die hij vergelijkt. Dat percentage heet nu de Weberfractie. Wertheim: ``Aan een boom waaraan honderd pruimen hangen zie je geen verandering als er één verdwenen is. Maar je ziet het wel als er tien weg zijn. Aan een boom met tien pruimen zie je het wél als er één weg is. De wet van Weber is algemeen geldend voor waarnemingen, maar hij was nog niet doorgedrongen tot het vakgebied van de bewegingswaarneming.' Wertheim toonde experimenteel aan dat de wet van Weber ook binnen de bewegingsperceptie geldt. Het retinale bewegingssignaal en het zelfbewegingssignaal moeten ook meer dan een Weberfractie van elkaar verschillen, anders detecteren onze hersenen geen beweging. Wertheim publiceerde erover in 1981. Het was zijn eerste grote wapenfeit in het zich traag ontwikkelende wetenschapsgebied van de bewegingsperceptie. ``Mijn collega's zeggen mij altijd dat het mijn meest significante publicatie was. Het was een volgende stap nadat Van Holst en Mittelstaedt in de jaren vijftig het idee over het waarnemen van bewegingen middels het van elkaar aftrekken van twee signalen hadden uitgewerkt. Ik heb er de Weberfractie aan gekoppeld.'

De Weberfractie voor het waarnemen van beweging is erg hoog: ongeveer 40 procent. Er bestaat dus een drempel voor het zien van beweging. De drempel komt overeen met het `juist waarneembare verschil' tussen het retinale signaale en het zelfbewegingssignaal. Omdat het juist waarneembare verschil een vast percentage is, wordt het groter naarmate de signalen groter zijn. En dat verklaart waarom de strepen stilstaan als Wertheim de laptop-met-lopende-strepen voor mijn ogen beweegt. Of als ik zelf langs die laptop loop. Het is een kwestie van rekenen met snelheidsvectoren. In het eerste proefje (de bewegende laptop) zijn er drie vectoren: het retinale bewegingssignaal van de laptop (A), het retinale bewegingssignaal van de bewegende strepen (B) en het zelfbewegingssignaal van ogen of hoofd (C). De waargenomen snelheid van de laptop is dus (A-C). De waargenomen snelheid van de strepen is (B-C). Bijgevolg is de waargenomen snelheid van de strepen ten opzichte van de laptop (A-C)-(B-C), ofwel (A-B). Wertheim: ``Dat zijn twee retinale bewegingssignalen. Daartussen moet dus nog 40 procent verschil bestaan wil je de strepen zien bewegen. Als de laptop stil staat is dat geen probleem, want dan zijn alle retinale signalen klein en 40 procent van een klein signaal levert maar een hele lage drempel. Maar toen ik de laptop bewoog, werden de signalen groter en daarmee verhoogde de drempel. Vandaar dat je de strepen niet meer zag bewegen, tenminste niet als ze maar langzaam over het scherm lopen. Dus zolang de strepensnelheid niet boven de drempel van de wet van Weber komt – en zo had ik de snelheid ingesteld – dan zie je de strepen niet meer bewegen als ik de laptop beweeg.'

drempel In de draaiende stoel is de situatie iets ingewikkelder. Wertheim: ``je kunt uitrekenen dat de drempel voor het zien van beweging dan ook hoog wordt omdat het zelfbewegingssignaal ineens heel groot wordt.' Wertheims toenmalige promovenda Barbara Mesland bij TNO heeft de drempels van de bevriesillusie bij verschillende snelheden uitgebreid gemeten. Aan de Universiteit Utrecht meet Wertheims aio Jan Souman de drempels nu in drie dimensies.

``De Wet van Weber verklaart ook,' zegt Wertheim, ``waarom je in een stilstaande auto de afzonderlijke blaadjes aan de boom ziet bewegen in de wind, maar in een snelrijdende auto niet. De retinale snelheid van de takken en blaadjes worden dan heel groot, zodat hun onderlinge bewegingsverschillen onder de Weberfractie blijven.'

De theorie leek rond: beweging op het netvlies (het retinale bewegingssignaal) wordt verrekend met bewegingen van de oogbollen en de informatie van het evenwichtsorgaan (het zelfbewegingssignaal). Maar de theorie kon niet verklaren waarom een treinmachinist op de bok van zijn intercity op kruissnelheid de wereld stil ziet staan en níet als een razende op zich af ziet komen. En een reiziger die in een auto op cruise control naast de bestuurder dromerig voor zich uit staart ziet de omgeving ook gewoon stil staan. Dat is strijdig met de theorie: want de wereld beweegt over het netvlies, maar er is geen zelfbewegingssignaal omdat de ogen stil staan en het evenwichtsorgaan ook zwijgt, want dat reageert alleen op bewegingsverandering. Kan het stilstaande landschap het gevolg zijn van weten? Iedereen wéét dat een landschap stil staat. ``Maar als we met een vinger zachtjes tegen ons bovenste ooglid tikken, dan zien we de wereld bewegen terwijl dan toch ook weten dat hij stil staat. Zulk weten heeft dus geen invloed op onze waarneming,' werpt Wertheim tegen. ``Nee, dat de machinist en bijrijder een stilstaand landschap zien is alleen te verklaren als er naast het retinale signaal ook een even groot zelfbewegingssignaal aanwezig is. En dat blijkt zo te zijn. Zodra er een groot regelmatig vloeiend patroon over je netvlies beweegt, onderga je de ervaring dat je zelf beweegt. Die sensatie staat bekend als visueel geïnduceerde zelfbeweging. Anatomen hebben al lang zenuwbanen gevonden tussen het netvlies en de vestibulaire centra in de hersenen, waar ook de informatie van het evenwichtsorgaan wordt verwerkt tot een sensatie van zelfbeweging. Er is dus een soort doorgeefluik waardoor het retinale signaal een zelfbewegingssignaal kan doen ontstaan.'

Er bestaat een prachtige visuele illusie die alleen te verklaren is met dat doorgeefluik. Wie in een wachtende trein aan het raampje zit terwijl op het spoor ernaast een trein vertrekt, krijgt de sensatie van zelf weg te rijden. Wertheim: ``Het netvlies neemt een flow waar. Die andere trein beweegt over het netvlies. Dat veroorzaakt de visueel geïnduceerde zelfbewegingssensatie. Maar bovendien is er nu een zelfbewegingssignaal ontstaan dat even groot is als het retinale signaal van die andere trein. Daarom zie je die andere trein stilstaan. Het doorgeefluik verklaart waarom je die andere trein ook echt niet kunt zien bewegen.' Wertheim publiceerde in 1994 over het `doorgeefluik' van retina naar vestibulair systeem. Het is zijn tweede grote bijdrage aan de theorie van de bewegingsperceptie. ``Er is nog steeds veel discussie over die publicatie, maar het idee van het doorgeefluik wordt wel steeds bekender.'

Er zijn experimenten bedacht om het model te toetsen. Afgelopen winter is er een pilot study uitgevoerd in het Max Planckinstituut in Tübingen. Rond een fiets op een rollenbank was een projectiescherm gebouwd, zo groot dat de fietser alleen het geprojecteerde beeld ziet. Een proefpersoon gaat op de fiets zitten, maar mag nog niet trappen. Op het scherm verschijnt een projectie van een beeld van een op hem afkomend langsglijdend landschap. Op fietssnelheid. De fietser moet zeggen wat er gebeurt als hij gaat trappen. De projectie gaat gewoon door. Wertheim: ``Zodra ze gaan trappen melden de proefpersonen dat het beeld op het scherm stil staat. De hersenen concluderen uit het trappen van de benen, samen de visuele flow, dat er kennelijk een zelfbeweging is. Er wordt dus een zelfbewegingssignaal gecreërd, ongeveer even groot als het retinale signaal van het bewegende beeld van de projectie, waardoor de fietser waarneemt dat die projectie ineens stil staat. Het is een uiterst indrukwekkende illusie.'

autosimulator Stilstaande fietsen, voortglijdende treinen, zoevende auto's. Ze bestaan nog geen honderd jaar. En de zintuigen die al die bewegingen signaleren zijn er niet voor ontworpen. Wertheim ontwierp experimenten waarvan het eerste deze week wordt uitgevoerd in een splinternieuwe autosimulator in het onderzoekscentrum van Renault nabij Versailles. Het is een simulator die zelf in de ruimte in twee dimensies kan bewegen: voor- en achteruit, naar links en naar rechts. En ondertussen kijkt de bestuurder naar schermen waarop straten en snelwegen, maar ook allerlei experimentele signalen kunnen worden geprojecteerd. Wertheim: ``Dat is een fantastisch apparaat omdat je de proefpersonen kunt onderwerpen aan allerlei versnellingen zodat het evenwichtsorgaan voluit en op de juiste manier meedoet. In oudere autosimulatoren zit de proefpersoon ofwel stil en beweegt de omgeving dankzij de projectie op de rond hem staande schermen, of men laat de simulator kiepen om versnelling te suggereren. Daardoor ontstaat eigenlijk een onjuiste prikkeling van het evenwichtsorgaan.'

De Renaultsimulator, opgesteld in een grote hal, bestaat uit een cabine die over twee loodrecht op elkaar staande rails een zestal meters in twee dimensies kan bewegen. Wertheim: ``Die simulator was in juni klaar voor gebruik en Renault wil weten in hoeverre combinaties van de bewegingen van de proefpersoon en bewegingen op het scherm de werkelijkheid simuleren. Pas dan kunnen ze experimenteren met auto-ontwerpen die de oplettendheid en veiligheid verbeteren. Renault wil weten hoe mensen in een auto rijden. Hoe mensen hun ogen bewegen in de ruimte en welke rol de auto en het ontwerp van een auto daarin spelen.' Het gaat er niet alleen om bij welke snelheid de autorijder de blaadjes aan de bomen niet meer ziet bewegen. Er zijn ook verschijnselen die voor de praktijk relevant zijn.

``Wanneer je op een klaverblad links af wil slaan moet je meestal op een afslagstrook een bocht van driekwart cirkel rijden,' zegt Wertheim. ``Tijdens die bocht ondervind je een versnelling die naar het middelpunt van de cirkel is gericht. Je krijgt daardoor zo'n sterke zelfbewegingsstimulans dat door het grote zelfbewegingssignaal de drempel voor het zien van beweging hoog wordt. Iedereen die met grote snelheid zo'n bocht draait en gelijk moet invoegen schat daardoor de snelheid van het omringende verkeer te laag in.'

De Renaultsimulator is voor Wertheim bijna het experimentele summum. Met één tekort: de derde dimensie ontbreekt. TNO-Technische Menskunde in Soesterberg bouwt een vliegsimulator waarin de proefpersonen wél kunnen stijgen en dalen en een roll over kunnen maken. Wertheim: ``Piloten die aan sterke g-krachten blootstaan kunnen de bewegende meters die op hun cockpitscherm worden geprojecteerd niet goed meer aflezen. Met precieze kennis over de samenhang tussen netvliesinformatie en informatie van het evenwichtsorgaan over hoe de hersenen zelfbeweging inschatten is er nog veel te verbeteren aan de cockpitergonomie.'

Even heeft Wertheim zijn stokpaardje vast: zijn vakgebied, de ergonomie, wordt veelal betaald om met kleine ad-hoc-experimentjes het ontwerp van een stoel, een afvalcontainer, een opvallend signaal of een auto-interieur te beoordelen. Zonder aan een achterliggende theorie te werken. De theorie voor bewegingsperceptie is de afgelopen halve eeuw met ongeveer één stapje per tien jaar vooruit gegaan. Nu is, zegt Wertheim, de theorie op een niveau dat afzonderlijke ergonomische experimenten binnen een theoretisch kader te interpreteren zijn.