Magdeburger Leibniz-Institut für Neurobiologie Wie unser Gehirn Vorhersagen trifft

Stellen Sie sich vor, Sie sitzen auf dem Fahrersitz eines Autos. Was erwarten Sie, wenn Sie jetzt den Autoschlüssel drehen? Dass ein Motorengeräusch ertönt vielleicht? So könnte es uns unser Gehirn zumindest vorhersagen. Doch was, wenn das Geräusch nicht ertönt? Dann registriert unser Gehirn einen Fehler. Diese Meldung ist wichtig, damit wir für die Zukunft lernen können, sagen Entwicklungsforscher aus Magdeburg. Sie haben diesen Mechanismus von Erwartung und Fehlern genauer untersucht.

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Nicht alles, was um uns herum passiert, kommt auch in unserem Gehirn an. Von all den Eindrücken und Einflüssen wäre es überfordert. Deshalb greifen wir für unsere Wahrnehmung neben den Sinnen auch auf Vorhersagen aufgrund von Erfahrungen zurück, erklärt Nicole Wetzel - Professorin am Leibniz-Institut für Neurobiologie Magdeburg.

Ein Beispiel: Unser Büro ist neben einer viel befahrenen Straße. Die Autos kennt unser Gehirn schon und schenkt dem Geräusch keine Aufmerksamkeit. Doch dann kommt ein Krankenwagen mit Martinshorn. Der passt gar nicht zum bekannten Geräusch und unser Gehirn sendet ein Fehlersignal

Man nimmt an, dass höhere Ebenen der Verarbeitung sensorische Vorhersagen machen und die dann nach unten zu niedrigeren Ebenen senden. Wenn eben der sensorische Input nicht zur Vorhersage passt, dann wird dieses Fehlersignal wieder über die Hierarchie zu höheren Ebenen weitergeleitet und dabei werden die Vorhersagemodelle ständig aktualisiert und angepasst, was dann wiederum zu besseren Vorhersagen führt.

Prof. Nicole Wetzel, LIN Magdeburg

Fehlersignal genauer angeschaut

Wir lernen also dazu, dass auch ein Krankenwagen an unserem Fenster vorbeifahren kann. Dieses Fehlersignal haben sich die Forschenden genauer angeschaut, um herauszufinden wie konkret eine Vorhersage sein muss, um es auszulösen.

Wir wollten untersuchen, wie groß dieses Fehlersignal ist, wenn eine konkrete Vorhersage möglich ist und ob wir dieses Fehlersignal auch beobachten können, wenn keine konkrete Vorhersage möglich ist?

Nicole Wetzel

Die Forschungsgruppe Neurokognitive Entwicklung des Leibniz-Instituts für Neurobiologie Magdeburg.
Die Forschungsgruppe Neurokognitive Entwicklung des Leibniz-Instituts für Neurobiologie Magdeburg. Bildrechte: Reinhard Blumenstein

Vorhersagen auch auf Grundlage von weniger konkreten Umständen getroffen

In unserem Beispiel heißt das: Muss ich das Geräusch eines normalen Autos erwarten oder reichen generell Geräusche aus dem Straßenverkehr? Dazu hat das Team zwei Experimente gemacht, erläutert Doktorand Tjerk Dercksen. Sie haben die Köpfe ihrer Probanden verkabelt und sie dann einen Knopf drücken lassen: Im ersten Experiment kam dann fast immer ein bestimmtes Geräusch. Kam das nicht, meldete das Gehirn einen Fehler.

Im zweiten Experiment kam kein bestimmtes, sondern nur ein beliebiges Geräusch. Und auch hier: Wenn nach dem Knopfdruck gar kein Geräusch kam, meldeten die Gehirne der Probanden einen Fehler, erzählt der gebürtige Niederländer:

Wir haben herausgefunden, dass das Fehlersignal auch auftaucht, wenn die Vorhersage nicht konkret ist. Das erscheint unerwartet, weil dem Probanden nicht klar ist, welcher Ton genau auf den Knopfdruck folgt. Dann ist es vielleicht logisch, dass da kein Fehlersignal kommt, wenn man nicht genau weiß, was kommt. Aber anscheinend können Vorhersagen auch auf Grundlage von weniger konkreten Umständen getroffen werden.

Tjerk Dercksen, LIN Magdeburg

Mechanismus wichtig für Gehirnentwicklung

Also auch bei schwammigen Vorhersagen lernt unser Gehirn dazu. Dieser Mechanismus aus Erwartung und Fehler ist wichtig für unsere Gehirnentwicklung, sagt Professorin Wetzel. Schon bei Kindern im Mutterleib seien diese Fehlersignale festzustellen:

Wenn wir uns das Ganze aus Entwicklungsperspektive anschauen - unsere Gruppe forscht ja zu neurokognitiver Entwicklung - dann stellt dieser Mechanismus, die Verarbeitung von Informationen auf der Basis von Vorhersagen einen ganz grundlegenden Lernmechanismus in der frühen Entwicklung dar.

Nicole Wetzel

Das Team will deshalb weiter daran forschen - unter anderem um herauszufinden, welche Rolle dieses Fehlersignal bei der Aufmerksamkeit von Kindern spielt. Doch auch Erwachsenen sollen die Erkenntnisse langfristig helfen: Bei Krankheiten wie Schizophrenie oder Entwicklungsstörungen wie Dyslexie funktioniert dieser Mechanismus nämlich nicht so wie er sollte.

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