Wie unser Gehirn Feedback verarbeitet

Wenn wir den Ball fangen wollen, muss unser Gehirn die aktuelle Flugbahn und Geschwindigkeit des Balls in Sekundenbruchteilen verarbeiten und mit früheren Erfahrungen vergleichen, wie wir den Ball bei früheren Versuchen gefangen oder verfehlt haben. Jeder weitere Versuch hilft uns, die Reaktion beim nächsten Mal besser abzustimmen. Das Forschungsteam hat nun gezeigt, dass der Hippocampus bei den dafür notwendigen Verarbeitungsprozessen eine entscheidende Rolle spielt. Diese Gehirnregion wurde bisher eher mit der Bildung des Langzeitgedächtnisses in Verbindung gebracht.

Täglich löst unser Gehirn komplexe Aufgaben, die es erfordern, das perfekte Timing zu finden. Ein einfaches Beispiel ist ein Ballspiel: Wirft uns jemand einen Ball zu, berechnet unser Gehirn in Sekundenbruchteilen, wie schnell und in welche Richtung der Ball fliegt und wo und wann wir ihn am besten fangen können. Bei wiederholten Versuchen enthält es auch Informationen über frühere Versuche, die Reaktion zu verfeinern.

Virtuelles Fangspiel bei MRT

„Jeder Wurf ist etwas anders als der letzte“, sagt Ignatius Polti von der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie in Trondheim. „Manche Bälle kommen früher, manche später an. Während des Spiels lernt das Gehirn die Verteilung der Ankunftszeiten und bildet daraus Erwartungen für zukünftige Würfe. Kombinieren wir dieses Vorwissen mit bestimmten Informationen über den aktuellen Wurf, können wir das verbessern Timing unserer Fangversuche.” Gemeinsam mit seinem Team untersuchte er, wie unser Gehirn das leisten kann und welche Hirnregionen an der Verarbeitung beteiligt sind.

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Um zu beobachten, wie das Gehirn aktuelle und frühere Informationen koordiniert, ließen Polti und sein Team 34 Testpersonen ein virtuelles Fangspiel mit einem MRT-Gerät spielen. Der Punkt bewegt sich in einer geraden Linie zum Rand des Kreises. Kurz bevor er sein Ziel erreichte, verschwand er. Die Probanden wurden gebeten, einen Knopf zu drücken, wenn sie davon ausgingen, dass der Punkt am Rand des Kreises hätte ankommen sollen. Unmittelbar danach erhielten sie jeweils eine Rückmeldung, wie genau ihre Schätzung war. „Uns interessierte, wie genau die Teilnehmer bei dieser Aufgabe die Verteilung der Intervalle gelernt haben und wie sie ihre Überzeugungen über diese Verteilung im Laufe der Zeit aktualisieren“, sagt Polts Kollege Matthias Nau. “Dieser Aktualisierungsprozess ist entscheidend, weil er es uns ermöglicht, uns flexibel an sich ändernde Verhaltensanforderungen in unserer Umgebung anzupassen.”

Mittlere Orientierung

Insgesamt lagen die Einschätzungen der Teilnehmer meist recht nah an der Realität. Sie schnitten am besten ab, wenn sich der Punkt mit angemessener Geschwindigkeit bewegte. Wenn er sich besonders schnell oder langsam bewegte, neigten die Probanden dazu, kurze Dauern zu überschätzen und lange zu unterschätzen. “Mit anderen Worten, ihre Schätzungen waren in Richtung des Durchschnitts aller Tests verzerrt”, sagt Polti. „Wir glauben, dass dieser Trend die Vertrautheit der Teilnehmer mit den im Spiel erlebten Zeitintervallen widerspiegelt, und dass es sich um eine wichtige Verhaltensanpassung handelt, um mit Unsicherheit umzugehen – wenn man sich über den aktuellen Prozess nicht sicher ist, könnten sie der Durchschnitt aller anderen sein.“ Versuchen Sie, gut zu raten.«

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Aktivität im Hippocampus

Das Gehirn der Probanden muss also tatsächlich die Verteilung der wahrgenommenen Zeitintervalle errechnet und in die Entscheidung einfließen lassen. Mit Hilfe von MRT-Bildern überwachte Poltis Team, wie sich dies in der Funktionsweise des Gehirns widerspiegelt. „Wir fanden Hinweise auf lernbedingte Veränderungen im gesamten Gehirn, insbesondere in Bereichen, die typischerweise im Zusammenhang mit Belohnung und Gedächtnis untersucht werden“, sagt Polts Kollege Christian Doeller.

Besonders auffällig war die Aktivität im Hippocampus. „Der Hippocampus wurde traditionell nicht als Ort angesehen, der sensomotorische Funktionen reguliert, und sein Beitrag zur Gedächtnisbildung wird typischerweise auf längeren Zeitskalen (Stunden, Tage, Wochen) diskutiert“, erklären die Forscher. „In dieser Studie fanden wir jedoch einen Zusammenhang zwischen Hippocampus-Aktivität und Echtzeit-Verhaltensleistung bei einer schnellen Timing-Aufgabe, von der traditionell angenommen wurde, dass sie vom Hippocampus unabhängig ist.“

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Statistische Informationen und flexibles Verhalten

Die Forscher fanden heraus, dass die Hippocampus-Aktivität tatsächlich vorhergesagt werden konnte, basierend auf dem Feedback, das sie im vorherigen Experiment erhalten hatten. Die Aktivität war am höchsten, wenn Benutzer Feedback erhielten, dass sie eine besonders genaue Schätzung vorgenommen hatten. Als sie die Rückmeldung erhielten, dass sie weit vom Punkt entfernt waren, war die Hippocampus-Aktivität am niedrigsten. Darüber hinaus spiegelte die Aktivität im Hippocampus eine Verhaltenstendenz wider, kurze Dauer zu überschätzen und lange Dauer zu unterschätzen.

Dies deutet darauf hin, dass die Teilnehmer tatsächlich ihr Wissen über die Verteilung der Intervalle verfeinert und aktualisiert haben, nachdem sie Feedback erhalten hatten, und dass der Hippocampus in diesem Prozess eine entscheidende Rolle spielt. „Wir glauben, dass die von uns entdeckten neuronalen Mechanismen über Intervalllernen hinausgehen und flexiblem Verhalten weitgehend zugrunde liegen. Sie könnten vielmehr widerspiegeln, wie wir im Allgemeinen durch konstruktives Feedback lernen und wie das Gehirn Überzeugungen in Echtzeit formt und aktualisiert“, sagt Matthias Nau.

Quelle: Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften, Artikel: eLife, doi: 10.7554/eLife.79027

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