Verarbeitungszeiten im visuell-motorischen System
Wie lange dauert es vom Augenblick, in dem Licht auf die Netzhaut trifft, bis ein Muskel sich bewegt? Die Antwort ist eine Kette von Latenzen — jede Stufe kostet Millisekunden.
1. Visuelle Verarbeitung: Vom Licht bis zur Entscheidung
| Stufe | Latenz ab Stimulus | Anmerkung |
|---|---|---|
| Photorezeptoren → Retina-Output | ~20–30 ms | Phototransduktion + retinale Verarbeitung; Sehnerv-Leitzeit nur ~2–3 ms |
| LGN (Thalamus) | ~25–40 ms | Wenige ms Verzögerung nach Retina-Output |
| V1 (Primary Visual Cortex) — schnellste Neuronen (Layer 4Cα) | ~40–50 ms (Makake), ~50–70 ms (Mensch) | Frühester thalamokortikaler Input; Median liegt höher (Makake: ~60–85 ms) |
| Höhere Areale (MT, IT, PFC) | +10–30 ms pro Stufe | Bewegung, Objekterkennung, Entscheidung |
| Bewusste Wahrnehmung | ~100–150 ms | Schätzung; abhängig von Aufgabe und Stimulus |
Vorsicht bei V1-Latenzen
Die oft zitierten “40–50 ms” gelten für die schnellsten Neuronenpopulationen in Schicht 4Cα (Magnozellulärer Pfad). Der Median aller V1-Neuronen liegt deutlich höher (~60–85 ms im Makaken). Der Parvozelluläre Pfad (Farbe, Detail) ist ~20 ms langsamer als der Magnozelluläre.
Vault-Bestätigung: Benchmarks in Computational Neuroscience hält fest: “V1 reagiert auf die visuellen Reize bereits 50 ms, nachdem das Bild eingeblendet wurde.” — Das entspricht dem frühesten messbaren Signal (schnelle Neuronen, hoher Kontrast).
Schnellere Umgehungsroute
Es gibt einen zweiten, kürzeren visuellen Pfad: Retina → Superior Colliculus (Tectum) → Pulvinar → extrastriate Areale. Dieser retinotektale Pfad umgeht V1 und ermöglicht schnelle Bedrohungsdetektion und automatische Sakkaden. Erste Muskelaktivierungen über diese Route sind bereits ~80–120 ms nach Stimulusbeginn messbar (sogenannte Express Visuomotor Responses, EVRs).
2. Motorisches Kommando: Vom Kortex zum Muskel
| Strecke | Latenz | Methode / Quelle |
|---|---|---|
| Kortex → Handmuskel (gesamt) | ~20–21 ms | TMS-Messungen (MEP-Latenz) |
| Davon zentrale Leitzeit (CMCT) | ~9–10 ms | Kortex → Rückenmark |
| Davon periphere Leitzeit | ~10–12 ms | Rückenmark → Handmuskel |
| Kortex → Fußmuskel (gesamt) | ~40–60 ms | Längere Strecke (Bein); TMS-Bein-Latenzen typischerweise >40 ms |
| Leitgeschwindigkeit Kortikospinaltrakt | ~60 m/s (Durchschnitt) | Schnellste Axone (Betz-Zellen): über 70 m/s |
Vergleich: Rückenmarksreflex (kein Kortex)
Der klassische Dehnungsreflex läuft monosynaptisch: Muskelspindel → Ia-Afferenz → α-Motoneuron → Muskel. Latenz Fuß → Rückenmark → Muskel: ~30 ms (siehe AC MS L1 – Intro & Spinal Cord).
3. Gesamte Reaktionszeit: Visueller Stimulus → Muskelkontraktion
Die einfache Reaktionszeit (ein Stimulus, eine bekannte Antwort) liegt beim Menschen bei:
- ~180–300 ms (Mittelwert geübter Probanden im Labor: ~213–231 ms; Populationsmittel: ~250–273 ms)
- Für Greifbewegungen zum visuellen Ziel: ~200–300 ms
Aufteilung der Gesamtzeit (ungefähre Schätzungen)
| Komponente | Zeit |
|---|---|
| Visuelle Wahrnehmung (Retina → kortikale Verarbeitung) | ~60–100 ms |
| Kognitive Verarbeitung / Entscheidung | ~80–100 ms |
| Motorische Ausführung (Kortex → Muskel) | ~20–30 ms (Hand) |
| Gesamt (Hand) | ~160–230 ms |
Prämotorische Zeit vs. elektromotorische Verzögerung
Reaktionszeit = Prämotorische Zeit (Stimulus → EMG-Onset) + elektromotorische Verzögerung (EMG → Kraft). Die prämotorische Zeit enthält also sowohl die visuelle Verarbeitung als auch die Entscheidung.
4. Warum Sakkaden so schnell sind
Sakkaden (schnelle Augenbewegungen) haben eine Latenz von ~100–250 ms (Express-Sakkaden: ~100–135 ms) und dauern als Bewegung selbst nur ~20–200 ms (kleine Sakkaden: ~20 ms; große Sakkaden: ~100–200 ms). Während der Bewegung ist das visuelle System weitgehend unterdrückt (sakkadische Suppression) — kortikales Feedback käme zu spät, um die Trajektorie noch zu korrigieren. Das Gehirn nutzt deshalb Feed-Forward-Modelle im Cerebellum: Es schickt das motorische Kommando blind raus, ohne auf sensorisches Feedback zu warten. Erst danach wird verglichen und korrigiert.
Wichtige Einordnung
Diese Zahlen sind Mittelwerte gesunder Erwachsener. Faktoren, die die Latenz verändern:
- Alter (Leitgeschwindigkeit sinkt mit dem Alter)
- Stimulus-Salienz (stärkere Reize = kürzere Latenz in V1)
- Aufgabenkomplexität (Auswahl aus mehreren Reaktionen: +50–150 ms)
- Desynchronisierter Gehirnzustand (aktivierter Kortex = schnellere V1-Antwort)
- Körpergröße / Leitungsstrecke (lange Beine = mehr Peripheral Delay)
Verlinkungen
Superlink: 050 🧠Neuroscience
Verwandte Notizen:
- Wie entstehen Entscheidungen in unserem Gehirn? — Artikel, für den diese Zahlen relevant sind
- Benchmarks in Computational Neuroscience — V1-Latenz (50 ms) aus eigener Erfahrung
- AC MS L1 – Intro & Spinal Cord — Rückenmarksreflex ~30 ms, Kortikospinaltrakt
- AC MS – Tectum & Superior Colliculus (Orienting Motor System) — retinotektaler Schnellpfad
Quellen
- Maunsell & Gibson (1992); Nowak & Bullier (1997) — V1-Latenzen in Makaken (Median ~60–85 ms)
- Knierim & van Essen (1992) — Layer-4Cα Onset ~40 ms, monotoner Latenzanstieg zur Kortexoberfläche
- Britten et al. (1992, 1996) — MT und Entscheidung bei Kohärenz-Paradigma
- Chen et al. (2023), Journal of Clinical Neurology — TMS MEP-Latenzen Handmuskel (~21 ms) und CMCT (~10 ms)
- Frontiers in Human Neuroscience (2015) — Faktoren der einfachen Reaktionszeit (Mittelwert ~213–231 ms)
- PNAS (2014) — Kortikale Desynchronisierung beschleunigt V1-Latenz
- Journal of Neuroscience (2023) — Express Visuomotor Responses: ~80 ms Muskelaktivierung via Superior Colliculus