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„Software prägt unseren Alltag, ist sie fehlerhaft, kann das fatale Folgen haben. Vor diesem Hintergrund ist es wichtig, dass Programmierer ihren Code verstehen und keine Fehler übersehen oder neu einbauen, wenn sie weitere Funktionen ergänzen“, sagt Sven Apel, Informatik-Professor der Universität des Saarlandes. Er will dafür noch besser verstehen, welche Prozesse im Gehirn eines Softwareentwicklers ablaufen, wenn dieser Code erzeugt und analysiert. Für eine Studie hat er vor drei Jahren Axel Mecklinger, Professor für experimentelle Neuropsychologie der Saar-Universität, mit ins Boot genommen. Gemeinsam haben sie dafür die Elektroenzephalografie (EEG) mit der Überwachung der Augenbewegungen kombiniert, im Fachjargon spricht man von fixationskorrelierten Potenzialen (FRP). „Der Vorteil dieser Methode ist, dass man die Hirnströme zeitlich genau in dem Moment erfassen kann, in dem die Augen aufhören, sich zu bewegen und sich auf ein bestimmtes Ziel fokussieren“, erklärt Axel Mecklinger.
Das Forscherteam wollte damit herausfinden, wie Softwareentwickler reagieren, wenn sie verwirrende Codeschnipsel, sogenannte „Atoms of Confusion“, sehen. Diese kleinsten Einheiten kommen häufiger im Quellcode vor. Sie sind für den Computer eindeutig auszuführen, erschließen sich dem Programmierer aber nicht intuitiv, so dass es passieren kann, dass dieser die Funktionsweise des Programms falsch versteht. Anna-Maria Maurer, Informatik-Doktorandin bei Professor Apel, hat für die Studie diese Art von verwirrendem Code in ihre Versuchsanordnung aufgenommen. Sie konnte 24 Programmierer als Versuchspersonen gewinnen, deren Hirnströme und Augenbewegungen in rund 1.700 Durchgängen gemessen wurden.
Für die Auswertung konnte das Forscherteam auf Methoden und Erfahrungen aus der Psycholinguistik zurückgreifen, die sich jedoch nicht ohne Weiteres auf die Softwareprogrammierung übertragen ließen. Aus früheren Studien war zwar bekannt, dass die Programmiertätigkeit ähnliche Hirnregionen aktiviert wie die natürliche Sprache, das Vorgehen eines Programmierers ist jedoch anders als beim Sprachverstehen. „Wenn wir wissen möchten, wie das Gehirn bestimmte Gesprächssituationen verarbeitet, lassen wir die Versuchspersonen kurze Textabschnitte lesen und gleichen dies mit dem EEG und Eyetracking ab. Ein Programmierer erfasst beim Codelesen jedoch größere Zusammenhänge, er liest mehrere Codezeilen quer und nimmt komplexere Strukturen als eine Einheit wahr“, erklärt Computerlinguistik-Professorin Vera Demberg, die mit ihrem Team an der Auswertung der Daten beteiligt war. Entsprechend aufwändiger musste die Versuchsanordnung gestaltet werden: In drei Themenblöcken mit 24 Einzelversuchen wurde das Codeschnipsel präsentiert und EEG und Augendaten auf die Millisekunde genau synchronisiert.
Beim Vergleich der EEG-Signale aus früheren Sprachstudien mit den aktuellen Ergebnissen aus der Softwareprogrammierung stellte das interdisziplinäre Team ein überraschendes EEG-Signal fest, das in der Neuropsychologie als späte frontale Positivität bezeichnet wird: „Wenn die Programmierer auf die verwirrenden Codeschnipsel stießen, zeigten sie ähnliche Hirnaktivitäten wie sie bei Probanden in der Sprachwissenschaft vorkommen, die Sätze mit unerwarteten Wendungen lesen. Das Gehirn passt sich dann blitzschnell an und gleicht die Informationen mit dem Langzeitgedächtnis ab, um die ungewöhnliche Situation einordnen zu können“, erklärt Vera Demberg. Als Beispiel für die unerwartete Wendung eines Gesprächs führt Axel Mecklinger den Satz an: „Theo will Holz hacken, er holt sich eine Jacke“. Erwartet hätte man an dieser Stelle eher das Wort „Axt“. Die Jacke hingegen erscheint plausibel, kommt aber in dem Kontext überraschend. „In solchen Situationen generieren Wörter wie ‚Jacke‘ in unseren EEG-Experimenten zur Sprachverarbeitung eine späte frontale Positivität, die dem EEG-Signal auf die verwirrenden Codeschnipsel sehr stark ähnelt“, sagt Neuropsychologe Axel Mecklinger.
„70 bis 80 Prozent ihrer Zeit verwenden Programmierer darauf, Programmcode zu verstehen. Hierfür ist es wichtig, dass wir nachvollziehen können, wie ihre Denkprozesse ablaufen. Das hilft dabei, bessere Werkzeuge zu entwickeln, um Fallstricke von vornherein auszuschließen oder einfacher zu erkennen. Auch die Schulung von Softwareentwicklern kann auf diesen Erkenntnissen aufbauen“, sagt Informatiker Sven Apel. Er will in weiteren Studien herausfinden, ob Programmierer andere Hirnaktivitäten zeigen, wenn der verwirrende Code tatsächlich fehlerhaft ist oder wenn Codezeilen gezeigt werden, die kein spontanes Umdenken erfordern.
An der im renommiertem Fachmagazin „Scientific Reports“ veröffentlichten Studie waren Annabelle Bergum, Anna-Maria Maurer, Norman Peitek, Regine Bader, Axel Mecklinger, Janet Siegmund, Vera Demberg und Sven Apel beteiligt. Alle forschen an der Universität des Saarlandes außer Janet Siegmund, die Professorin für Software Engineering an der Technischen Universität Chemnitz ist. Die Studie steht im Zusammenhang mit mehreren großen Forschungsverbünden an der Universität des Saarlandes und wurde daraus auch finanziert. Dazu zählen der Transregio-Sonderforschungsbereich 248 „Grundlagen verständlicher Software-Systeme“ (Co-Sprecher Professor Holger Hermanns), der ERC Advanced Grant „Brains on Code“ von Professor Sven Apel sowie der Sonderforschungsbereich 1102 zur Informationsdichte und Sprachcodierung (Sprecherin: Professorin Elke Teich), an dem Vera Demberg und Axel Mecklinger beteiligt sind.
Originalpublikation:
Annabelle Bergum, Anna-Maria Maurer, Norman Peitek, Regine Bader, Axel Mecklinger, Vera Demberg, Janet Siegmund and Sven Apel, Fixation-related potentials reveal that 7confusing program code elicits a late frontal positivity. In: Scientific Reports 16, 16833 (2026): https://doi.org/10.1038/s41598-026-50946-9
Weitere Informationen:
Lehrstuhl für Software Engineering: https://www.se.cs.uni-saarland.de
Fragen beantwortet:
Prof. Dr. Sven Apel
Lehrstuhl für Software Engineering
Universität des Saarlandes
Tel.: +49 681 302 57211
E-Mail: apel(at)cs.uni-saarland.de
