Schau mir in die Augen und ich sage dir, wie gestresst du bist!

Linda Becker, Alexander Heimerl, Fabian Wildgrube, Elisabeth André, Nicolas Rohleder

Die Aussagen „Unsere Augen sind der Spiegel unserer Seele“ oder „Augen sagen oft mehr als tausend Worte“ hat wohl jeder schon einmal gehört. Sie werden verwendet, um auszudrücken, dass unsere Augen Aufschluss über unsere Gefühle geben können. Aber verraten unsere Augen auch, ob wir gerade gestresst sind? Mit dieser Frage beschäftigen sich derzeit die Projekte B4 (Psychologische Determinanten und biologische Stressreaktionsmuster bei digitalem Stress) und D9 (Aufmerksame, stresssensible und gesundheitsförderliche KI-Komponenten) des Forschungsverbunds ForDigitHealth. Ziel unseres aktuellen Forschungsprojekts ist es, zu untersuchen, ob aus Veränderungen der Pupillengröße auf das Stresslevel geschlossen werden kann.

Unsere Augen sind eines unserer wichtigsten Sinnesorgane. Sie reagieren hochempfindlich auf Veränderungen der Lichtverhältnisse. Eine wichtige Rolle spielt dabei der Pupillenreflex. Je nachdem wie viel Licht gerade vorhanden ist, verändert sich die Pupillengröße: Bei Dunkelheit erweitert sie sich. Sie wird kleiner, je mehr Licht auf das Auge trifft. Diese Veränderungen der Pupillengröße werden durch zwei Muskeln, den Musculus sphincter pupillae und den Musculus dilatator pupillae, gesteuert, wobei ersterer die Pupillenverengung und letzterer die Erweiterung der Pupille steuert. Neben Veränderungen der Lichtverhältnisse können auch starke Emotionen zu Veränderungen der Pupillengröße führen. So konnten Laborstudien zeigen, dass sich die Pupillengröße in Reaktion auf emotionale Bilder oder Töne vergrößert (Partala et al., 2003; Bradley et al., 2008).

Starke, vor allem negative, Emotionen können auch in Stresssituationen auftreten. Eine Emotion, die häufig im Zusammenhang mit Stress auftritt, ist Angst. Aber auch andere Emotionen wie Scham, Trauer oder Wut werden im Zusammenhang mit Stress berichtet. Deshalb ist es naheliegend, dass auch Veränderungen in der Pupillengröße und Stress zusammenhängen. Mit genau dieser Frage, ob sich in Stresssituationen die Pupillengröße verändert und ob dies mit anderen Emotionen in Verbindung steht, beschäftigen wir uns in unserer aktuellen Studie. Ganz besonders interessant ist dabei für uns digitaler Stress, der durch Videokonferenzen ausgelöst wird.

In unserer aktuellen Studie nahmen die Versuchsteilnehmerinnen und -teilnehmer an einer stressigen digitalen Gesprächssituation teil. Während des gesamten Gesprächs wurden die Pupillengröße sowie die Herzrate und die Hautleitfähigkeit als zusätzliche physiologische Stressmarker gemessen. Im Anschluss an das Gespräch wurden die Teilnehmerinnen und Teilnehmer befragt, zu welchen Zeitpunkten sie sich gestresst gefühlt haben, wann sie sich ängstlich oder beschämt fühlten und zu welchen Zeitpunkten sie stolz gewesen seien. Diese Situationen wurden anschließend in den Aufzeichnungen herausgesucht und als Stress, Angst, Scham, Wut, Trauer oder Stolz kategorisiert und in den Daten markiert. Basierend auf diesen Annotationen haben wir mit der Methode des maschinellen Lernens ein Modell trainiert. Mit diesem Modell ist es uns gelungen, mit einer hohen Genauigkeit von 76%, aus den Veränderungen der Pupillengröße Stress und Emotionen hervorzusagen. Die Pupillen erweiterten sich sowohl in Situationen, die als stressig erlebt wurden als auch in Situationen, die mit negativen Emotionen wie zum Beispiel Angst und Scham oder mit Stolz einhergingen. Auf diesen Daten soll in zukünftigen Projekten aufgebaut werden. Derzeit wird die Studie an einer größeren Gruppe an Teilnehmerinnen und Teilnehmern wiederholt. Die Ergebnisse werden hier und in Fachzeitschriften veröffentlich werden.

In Bezug auf die zunehmende Digitalisierung sind die bisherigen Ergebnisse von großer Bedeutung. Zum einen konnten wir zeigen, dass digitale Gesprächssituationen mit Stress und negativen Emotionen einhergehen können, was langfristig zu gesundheitlichen Konsequenzen führen kann. Viele der Teilnehmerinnen und Teilnehmer berichteten, dass die Situation gerade dadurch, dass sie im digitalen Rahmen stattgefunden habe, besonders stressig gewesen sei. Durch die digitale Situation sei es schwierig gewesen, die Reaktionen des Gegenübers einzuschätzen, was vermehrt zu Unsicherheit und Stress geführt habe. Außerdem zeigen die Ergebnisse, dass Veränderungen in der Pupillengröße ein vielversprechender Marker für die Erfassung von digitalem Stress sind. Der Einsatz dieser neuen Methode zur Erfassung von digitalem Stress hat gegenüber anderen Methoden den Vorteil, dass es prinzipiell möglich ist, Pupillenveränderungen kontaktlos zu messen, so dass keine Sensorik direkt am Körper getragen werden muss.

Bei der Entwicklung eines solchen, kontaktlosen Systems müssen verschiedene Aspekte berücksichtigt werden, um aussagekräftige Aufnahmen erzeugen zu können. Darunter fallen Dinge wie die Distanz zum Auge, oder die verwendete Trackingmethode. Wir untersuchen gerade, welcher Sensor am besten geeignet ist, um Veränderungen der Pupillengröße in digitalen Gesprächssituationen zu untersuchen. Auf dem Markt finden sich eine Reihe von kommerziell erwerblichen Eye-Tracking-Systemen, mit denen das Tracking der Pupillen verlässlich möglich ist. Prinzipiell kann zwischen freistehenden (kontaktlosen) und getragenen Geräten, meist in der Form einer Brille, unterschieden werden. Gerade die Eye-Tracking-Brillen haben den Nachteil, dass die Benutzerinnen und Benutzer in den meisten Fällen über ein Kabel mit einem Computer verbunden werden müssen. Dies kann prinzipiell die Anwendungsmöglichkeiten einschränken und die Teilnehmerinnen und Teilnehmer behindern. Im Gegensatz dazu stehen freistehenden Eye-Tracker. Diese ermöglichen es, nicht invasiv Pupillendaten aufzuzeichnen. Allerdings haben die kommerziellen Lösungen oft den Nachteil, dass die Anschaffungskosten relativ hoch (im Bereich von mehreren hundert Euro) sein können. Darüber hinaus müssen sie vor Benutzung meist kalibriert werden und können oft nur mit der ausgelieferten Software im vollen Umfang genutzt werden.

Im Rahmen unserer aktuellen Studie haben wir deshalb einen Sensor entwickelt, der nicht invasiv, kosteneffizient und einfach zu verwenden ist. Die Qualität der Aufnahmen steht und fällt mit der Auflösung der verwendeten Kamera. Das gilt für unseren Ansatz sowie für kommerzielle Produkte. Im Gegensatz zu getragenen Geräten kann bei den freistehenden Eye-Tracking-Systemen aufgrund von Bewegungen des Nutzers die Distanz zum Auge variieren. Um dennoch detailreiche Aufnahmen der Augen erzeugen zu können, sollten mindestens Full-HD-Kameras verwendet werden. Des Weiteren beruht unser neuer Ansatz auf der Tatsache, dass CMOS-Sensoren, die meist in gewöhnlichen Webcams verbaut werden, in der Lage sind, infrarotes Licht zu erfassen. Aus den oben genannten Gründen haben wir eine handelsübliche 1080p-Webcam modifiziert, so dass sie im infraroten Spektrum aufzeichnen kann. Zusätzlich zur Modifikation wurde die Webcam mit einem Infrarot-LED-Ring ausgestattet, um die größere Distanz zu den Augen zu kompensieren und trotzdem für optimalen Kontrast in den Aufnahmen zu sorgen. Die entstehenden Aufnahmen sind detailreich genug, um spezifische Informationen der Augen (wie z. B. die Pupillengröße) extrahieren zu können. Die Gesamtkosten unseres Prototyps belaufen sich auf ca. 50€. Darüber hinaus wurde ein Plugin für das open source Social Signal Interpretation Framework (SSI; Wagner et al., 2013) geschrieben, mit dem es möglich ist, die Pupillengröße aus beliebigen Kameraaufnahmen von Augen zu extrahieren. Dadurch ist es möglich, unseren Sensor in beliebigen multimodalen Aufnahmeszenarien zu verwenden, die über unseren Anwendungsfall einer stressauslösenden, digitalen Gesprächssituation hinausgehen.

Bitte zitieren als: Becker, Linda, Heimerl, Alexander, Wildgrube, Fabian, André, Elisabeth & Rohleder, Nicolas (2021). Schau mir in die Augen und ich sage dir, wie gestresst du bist! 17.05.2021.
Online verfügbar unter: https://scilogs.spektrum.de/gesund-digital-leben/?p=685

Literatur

Bradley, M. M., Miccoli, L., Escrig, M. A., & Lang, P. J. (2008). The pupil as a measure of emotional arousal and autonomic activation. Psychophysiology, 45, 602-607.

Partala, T., & Surakka, V. (2003). Pupil size variation as an indication of affective processing. International journal of human-computer studies, 59, 185-198.

Wagner, J., Lingenfelser, F., Baur, T., Damian, I., Kistler, F., & André, E. (2013). The social signal interpretation (SSI) framework: multimodal signal processing and recognition in real-time. In Proceedings of the 21st ACM international conference on Multimedia (pp. 831-834).

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Veröffentlicht von

Linda Becker ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am Lehrstuhl für Gesundheitspsychologie, Institut für Psychologie der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU). Sie forscht und bloggt zum Thema „Psychologische Determinanten und biologische Stressreaktionsmuster bei digitalem Stress“ im Rahmen des bayerischen Verbundprojekts „Gesunder Umgang mit digitalen Technologien und Medien“ (ForDigitHealth).

13 Kommentare

  1. Super spannendes Projekt! Beruht die Codierung der Emotionen “nur” auf der subjektiven Einschätzung der Teilnehmenden oder wurden auch situative, inhaltsanalytische Merkmale mit einbezogen?

    • Das ist eine sehr gute Frage! Bei unseren bisherigen Analysen haben wir unseren Schwerpunkt auf die individuell erlebten Emotionen gelegt. In Folgestudien planen wir, zusätzlich die Situation genauer anzuschauen.

  2. Die Pupille als Pulsschlag der Psyche?
    Die Pupillenweite und wie schnell und stark sich die Pupille erweitert oder verengt verrät sicher einiges, wobei wir Menschen als Beobachter aber prädisponiert sind, auf die Augen zu achten, denn Menschen haben ja eigene „Schaltkreise“ um Gesichter zu erkennen und die Augen sind nun mal die prominentesten Merkmale in Gesichtern.

    In der Medizin werden die Pupillenweite und die Reaktion der Pupillen auf Licht jedenfalls schon lange zu diagnostischen Zwecken eingesetzt.
    – Cannabis und Halluzinogene erweitern die Pupillen, Opiate verengen sie.
    – der Pupillen-Test (Reaktion beider Pupillen auf Lichtstrahl gerichtet auf zuerst das eine, dann das andere Auge) wird bei Verdacht auf Gehirnerschütterung, Kopfverletzungen, Drogenkonsum und Vergiftung durchgeführt.

    Nun zur Frage, die im Text gestellt wird: „Verraten unsere Augen auch, ob wir gerade gestresst sind?“
    Nun, ich könnte mir individuelle Unterschiede vorstellen. Nicht jeder reagiert gleich, doch bei einigen wird sich Stress wohl auch in den Augen bemerkbar machen.

    Vom Health Tracking zum psychophysischen Performance Tracking
    Fitnesstracker und Smart Watches messen heute Puls, Blutdruck, Blutzucker und Sauerstoffsättigung und registrieren Arrythmien. Tendenziell immer mehr, aber halt nur das, was sich am Handgelenk messen lässt.
    Doch das kann sich bald schon ändern und das über gleich mehrere Technologie-Entwicklungstendenzen:
    – Smart Glasses wie prototypisch von Google vorgestellt werden irgendwann zum Consumer-Produkt werden, da damit Augmented Reality (AR) möglich wird, was ungezählte Möglichkeiten eröffnet.
    Wichtig: Sinnvoll kann AR in Smart Glasses nur eingesetzt werden, wenn die Augenstellung des Smart Glasses Träger ständig verfolgt wird. Es ist naheliegend dann gerade auch noch die Pupillenweite mit festzustellen
    – Viele Formen der Holographische Projektion (3D-Fernsehen) müssen wissen wohin der Benutzer schaut um die Projektion anpassen zu können

    Prognose: Einige zukünftige digitale Geräte werden auch die Augen und möglicherweise den Gesichtsausdruck des Benutzers permament „scannen“. Damit eröffnet sich die Möglichkeit nicht nur die Gesundheit und Fitness permanent zu messen, sondern auch die psycho-physische Verfassung kann dann an Augen und Gesicht abgelesen werden und der persönliche digitale Assistent, den irgendwann jeder von uns besitzen wird, kann dann viel sachkundiger, vertrauter und persönlicher mit mir kommunizieren und mir zur richtigen Zeit ein paar Streicheleinheiten verabreichen – vielleicht zuerst nur verbal, irgendwann dann vielleicht auch physisch.

    Übrigens: Schau mir in die Augen und ich sage dir, wie gestresst du bist! ist gut und packend geschrieben. Man liest das gerne, das heisst: ich las diesen Artikel gerne.

    • Danke für Ihren umfangreichen und inspirierenden Kommentar!

      Wir stimmen zu, dass es sicherlich individuelle Unterschiede geben wird und es nicht bei jedem möglich sein wird, Stress in den Augen ablesen zu können. Wie von Ihnen angesprochen, können Erkrankungen, Medikamenten- oder Drogenkonsum Pupillenreaktionen verändern, so dass bei diesen Personen keine verlässlichen Aussagen möglich sein werden.

      Das Pupillentracking ist ein spannendes Feld, das viele Anwendungsmöglichkeiten bietet. Die Kombination mit anderen Informationen, die z. B. über Smartwatches gemessen werden können, ist auch für die Erforschung von digitalem Stress interessant. Unsere bisherigen Ergebnisse zeigen allerdings, dass die Pupillenreaktionen eine gute Alternative sein können, falls gerade keine Smartwatch zur Verfügung steht.

      Übrigens: Schau mir in die Augen und ich sage dir, wie gestresst du bist! ist gut und packend geschrieben. Man liest das gerne, das heisst: ich las diesen Artikel gerne.

      Herzlichen Dank! Das motiviert uns, weitere Beiträge zu schreiben 😊

  3. Zu Lisa Waldenburger
    “Codierung der Emotionen…”
    Ich denke dass der beste Lehrmeister hierfür die Evolution ist. Bei inneren Erregungen ,wozu Stress gehört, weiten sich die Pupillen. Letzteres passiert auch bei sexueller Erregung, was dann bei verschiedenen Kulturvölkern als eine Art “Schönheitsideal” in der Kunst angesehen wurde. Erregungen des Nervensystems werden durch die oben angegebenen Nervenstränge erzeugt . Stress ist eine dauernde Übererregung des Sympathikus . Die Augen sind somit ein Spiegel der Aktivität des Sympathikus im positiven wie im negativen. Augen sind ein wichtiger Teil der nonverbalen Kommunikation .

  4. Technische Ergänzug,
    Digitalcameras haben zwischen den Linsen eine Folie, die als Infrarotfilter dient. Wenn man diese kleine Folie entfernen kann, dann haben Sie eine Infrarotkamera.

  5. In welchen prozentualen Bereichen spielen sich denn stressinduzierte Pupillenvergrößerungen ab? Wie gut lassen sie sich von Veränderungen aufgrund schwankender Bildschirm- und Umgebungshelligkeiten unterscheiden?

    • Die Pupillendurchmesser haben sich ungefähr verdoppelt. Dies war aber individuell unterschiedlich und abhängig von der Ausgangsgröße.
      Die Lichtverhältnisse der Umgebung haben wir in unserer Studie konstant gehalten. Wir arbeiten derzeit an Verfahren, um die stressinduzierten Veränderungen von Veränderungen aufgrund von Veränderungen in den Lichtverhältnissen abgrenzen zu können, um die Methode in Zukunft auch in anderen Umgebungen einsetzen zu können.

  6. Zu Spritkopf
    Ich denke eine solche Pupillenvergrößerung ist nur ein sehr allgemeiner Indikator für STRESS. Sie können daraus weder die Art der Gefühle , ihre Intensität noch die psychische Beschaffenheit der Person analysieren. Digitaler Stress kann auch nur ein Ausdruck(Erscheinung) anderer tieferer Grundängste sein. Wer einen niedrigen Stresslevel
    hat wird auch schneller digitalen Stress haben bzw. bringt die vergrößerten Pupillen schon mit. So gesehen gibt es wahrscheinlich keine “normalen” Pupillengrößen bzw. Wertbestimmungen .Gibt es wissenschaftlich gesehen überhaupt eine Definition für die normale Pupillengröße bzw. diese wo der Stress anfängt ?

    • Die Augsgangsgröße vor der Stressinduktion war genau wie Sie beschreiben sehr unterschiedlich. Deshalb haben wir uns die prozentualen Veränderungen angesehen.

      Die von Ihnen beschriebenen Unterschiede im Ausgangsstresslevel sowie Unterschiede im empfundenen digitalen Stress konnten wir in unserer Studie auch beobachten.

  7. Am Rande,
    Hunde können auch den Stressfaktor ihrer Beute einschätzen, nicht über die Pupillengröße , sondern über die Atemfrequenz. Das tun wir Menschen übrigens auch.

  8. Zur Messung der Pupillengröße.
    Bei der Pulsmessung wird zum Bsp. für den Ruhepuls vorgegeben, dass man diesen nach Möglichkeit nach dem aufstehen messen sollte. Auf diesen Richt-oder Referenzwert kann dann am Tage bei der Bewertung der körperlichen und geistigen Aktivitäten zurückgegriffen werden. Ähnliches wäre bei der Bewertung der Pupillengröße möglich da diese nach dem Schlaf zunächst einmal ohne jede Art der Stressmanipulation ist, somit also “normal”. Mit diesem Wert ,der individuell verschieden ist, der auch an andere medizinisch messbare Werte gekoppelt ist(Blutdruck, Puls, etc.)könnte eine Pupillenbewertung nach Größe und Stressbelastung erfolgen. Mit vergleichenden Bildern der Grundemotionen des Menschen könnte eine gewisse “Schablone” entwickelt werden.