Wie unser Gehirn Feedback verarbeitet

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

Unser Gehirn löst täglich komplexe Aufgaben, bei denen es darum geht, den perfekten Zeitpunkt 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 Tests fließen auch Informationen aus früheren Tests ein, um die Reaktion noch genauer zu machen.

Ein virtuelles Fangspiel im MRT

„Jeder Start unterscheidet sich geringfügig vom vorherigen“, sagt Ignatius Polti von der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie in Trondheim. „Manche Bälle kommen früher, manche später. Während des Spiels lernt das Gehirn die Verteilung der Ankunftszeiten und verwendet diese Informationen, um Erwartungen für zukünftige Würfe zu bilden. Kombinieren wir dieses Vorwissen mit konkreten Informationen zum aktuellen Wurf, können wir das Timing unserer Fangversuche verbessern.“ Gemeinsam mit seinem Team hat er untersucht, 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 Probanden ein virtuelles Fangspiel im MRT-Scanner spielen. Ein Punkt bewegt sich in einer geraden Linie zum Rand eines 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 hat interessiert, wie genau die Teilnehmer bei dieser Aufgabe die Verteilung der Zeitintervalle lernen und wie sie ihre Überzeugungen über diese Verteilung im Laufe der Zeit aktualisieren“, erklärt Poltis Kollege Matthias Nau. “Dieser Aktualisierungsprozess ist entscheidend, weil er es uns ermöglicht, uns flexibel an sich ändernde Verhaltensanforderungen in unserer Umgebung anzupassen.”

Orientierung am Durchschnitt

Generell waren die Einschätzungen der Teilnehmer meist recht nah an der Realität. Sie schnitten am besten ab, wenn sich der Punkt mit mäßiger Geschwindigkeit bewegte. Wenn er sich besonders schnell oder langsam bewegte, zeigten die Probanden eine Tendenz, kurze Zeiträume zu überschätzen und lange Zeiträume zu unterschätzen. “Mit anderen Worten, ihre Bewertungen waren in Richtung des Durchschnitts aller Studien verzerrt”, sagt Polti. „Wir glauben, dass diese Tendenz die Vertrautheit der Teilnehmer mit der Bandbreite der im Spiel erlebten Zeitintervalle widerspiegelt und dass es eine wichtige Verhaltensanpassung ist, um mit Unsicherheit umzugehen – wenn man sich bei der aktuellen Prüfung nicht sicher ist, könnte man der Durchschnitt aller sein die anderen: “Versuchen Sie, gut zu raten.”

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Aktivität im Hippocampus

Die Gehirne der Probanden müssen also tatsächlich die Verteilung der erlebten Zeitintervalle errechnet und in die Entscheidung mit einbezogen haben. Anhand der MRT-Bilder verfolgte Poltis Team, wie sich dies in der Gehirnaktivität widerspiegelt. „Wir haben Hinweise auf lernbedingte Veränderungen im gesamten Gehirn gefunden, insbesondere in Regionen, die typischerweise im Zusammenhang mit Belohnung und Gedächtnis untersucht werden“, sagt Poltis Kollege Christian Doeller.

Besonders auffällig war die Aktivität im Hippocampus. „Der Hippocampus wurde traditionell nicht als Ort angesehen, der sensomotorische Funktionen steuert, und seine Beiträge zur Gedächtnisbildung werden normalerweise auf längeren Zeitskalen (Stunden, Tage, Wochen) diskutiert“, erklären die Forscher. “In dieser Studie fanden wir jedoch eine Beziehung zwischen Hippocampus-Aktivität und Echtzeit-Verhaltensleistung bei einer schnellen Zeitmessung, von der traditionell angenommen wird, dass sie vom Hippocampus unabhängig ist.”

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Statistische Informationen und flexibles Verhalten

Die Forscher fanden heraus, dass die Hippocampus-Aktivität tatsächlich durch die Antworten vorhergesagt werden konnte, die die Teilnehmer im vorherigen Experiment erhalten hatten. Die Leistung war am höchsten, wenn Benutzer Feedback erhielten, dass sie eine besonders genaue Schätzung vorgenommen hatten. Als sie die Rückmeldung erhielten, dass sie weit daneben lagen, war die Hippocampus-Aktivität am niedrigsten. Darüber hinaus spiegelte die Aktivität im Hippocampus Verhaltenstendenzen wider, kurze Dauer zu überschätzen und lange Dauer zu unterschätzen.

Dies deutet darauf hin, dass die Teilnehmer ihr Wissen über die Verteilung der Zeitintervalle tatsächlich verfeinert und aktualisiert haben, als sie Feedback erhielten, 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. Vielmehr könnten sie widerspiegeln, wie wir im Allgemeinen durch konstruktives Feedback lernen und wie das Gehirn Überzeugungen in Echtzeit formt und aktualisiert“, sagt Matthias Nine.

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

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