Das Gehirn beschleunigt die Wahrnehmung und errät, was als nächstes passieren wird

Ihre Erwartungen prägen und beschleunigen Ihre Wahrnehmung. Ein neues Modell, das diesen Effekt erklärt, schlägt vor, die Signalverarbeitungstheorien zu aktualisieren.

Wenn Sie einen bestimmten Geschmack erwarten und Ihre Zunge sich anders anfühlt, wird es Ihnen unangenehm erscheinen. Wenn der Geschmack erwartet wird, werden Sie ihn schneller spüren.

Stellen Sie sich vor, Sie hätten ein Glas genommen und gedacht, dass sich darin Apfelsaft befindet, und nach einem Schluck stellen Sie fest, dass es sich um Ginger Ale handelt. Selbst wenn Sie normalerweise Soda lieben, scheint Ihnen diesmal der Geschmack widerlich zu sein. Das liegt daran, dass Kontext und interne Zustände, einschließlich Erwartung, Einfluss darauf haben, wie Tiere Informationen von den Sinnen wahrnehmen und verarbeiten, erklärt Alfredo Fontanini , Neurowissenschaftler an der Stony Brook University in New York. In diesem Fall führt das Warten auf den falschen Reiz zu Überraschungen und einer negativen Reaktion.

Dieser Einfluss ist jedoch nicht auf die Wahrnehmungsqualität beschränkt. Unter anderem kann das Einstellen der Sinne, um auf eine gute oder schlechte Eingabe zu warten, die Geschwindigkeit erhöhen, mit der ein Tier sie erkennt, identifiziert und darauf reagiert.

Vor vielen Jahren entdeckten Fontanini und das Team direkte Hinweise auf diesen Beschleunigungseffekt im Geschmackskortex - dem Teil des Gehirns, der für die Wahrnehmung des Geschmacks verantwortlich ist. Seitdem haben sie versucht, eine Struktur im Kortex zu finden, die diesen Effekt ermöglicht. Und so gelang es ihnen. Im April 2019 veröffentlichten sie ihre Entdeckungen in der Zeitschrift Nature Neuroscience: ein Modell eines Netzwerks mit einer spezifischen Architektur, das nicht nur neue Ideen zu den Prinzipien der Erwartungsarbeit bietet, sondern auch umfassendere Fragen zum Verhältnis von Neurowissenschaftlern zur Wahrnehmung behandelt. Darüber hinaus stimmen die Schlussfolgerungen in gewisser Weise mit der Theorie der Entscheidungsfindung überein, wonach das Gehirn Entscheidungen nicht schrittweise, sondern voreilig trifft.

Beschleunigte Gefühle und aktive Zustände

Der Geschmack, die am wenigsten erforschte Empfindung, war ein idealer Ausgangspunkt. Nachdem der Geschmack auf der Zunge erscheint, vergehen mehrere hundert Millisekunden, bevor die Aktivität des Geschmackskortex beginnt, die Eingabedaten widerzuspiegeln. "In Bezug auf die Gehirnfunktion ist es eine schrecklich lange Zeit", sagte Don Katz , Neurowissenschaftler an der Brandeis University in Massachusetts (dessen Labor Fontanini ein Postdoktorat absolvierte). „Im visuellen Kortex geschieht alles in einem kleinen Bruchteil dieser Zeit“, was es für das Sehen viel schwieriger macht, den Erwartungseffekt zu erkennen, den Wissenschaftler untersuchen wollten.

Im Jahr 2012 führten Fontanini und Kollegen ein Experiment durch, bei dem Ratten ein Geräusch hörten („vorläufiger Hinweis“) und dann eine kleine Dosis Futter durch einen Schlauch im Mund erhielten. Ihr Geschmack selbst konnte süß, salzig, sauer oder bitter sein, und der Tooltip enthielt keine Informationen über seinen Charakter.

Es wurde jedoch festgestellt, dass die Erwartung des Geschmacks die Neuronen des Geschmackskortex insgesamt dazu veranlasste, den Reiz fast doppelt so schnell zu erkennen, als wenn die Ratten Futter erhielten, ohne das vorläufige Geräusch zu hören. Die Verzögerung fiel von ungefähr 200 ms auf 120 ms.

Fontanini wollte wissen, welches neuronale Netzwerk theoretisch eine Codierungsbeschleunigung ermöglichen würde. Er zog einen Spezialisten an, der zuvor nicht auf dem Gebiet des Geschmacks gearbeitet hatte: einen Kollegen aus Stony Brook, einen Neurowissenschaftler, Giancarlo la Camera , der zuvor an der Modellierung der spontanen Gehirnaktivität gearbeitet hatte, die auch ohne Stimuli auftritt.


Alfredo Fontanini und Giancarlo la Camera

In den letzten Jahrzehnten hat die Überzeugung zugenommen, dass der größte Teil der Aktivität von Sensornetzwerken intern erzeugt wird und nicht durch externe Reize verursacht wird. Wenn wir die Aktivität des visuellen Kortex eines Tieres in völliger Dunkelheit mit seiner Aktivität vergleichen, wird es bei der Untersuchung des Tieres schwierig sein, Unterschiede in ihnen zu finden. Selbst ohne Licht beginnen sich Neuronensätze im visuellen Kortex gleichzeitig oder mit einer vorhersagbaren Frequenz gemeinsam zu aktivieren. Diese miteinander verbundene Antwort befindet sich in der sogenannten metastabiler Zustand von einigen hundert Millisekunden bis zu mehreren Sekunden, und dann ändert sich die Konfiguration der Aktivität in einen anderen. Die Metastabilität oder die Tendenz, von einem flüchtigen Zustand in einen anderen zu springen, setzt sich nach dem Auftreten des Stimulus fort. Einige Zustände treten jedoch häufig häufiger in Verbindung mit einem bestimmten Stimulus auf und werden daher als „codierende Zustände“ betrachtet.

La Camera und andere (einschließlich Katz) haben bereits die Metastabilität modelliert und ein sogenanntes Cluster-Netzwerk erstellt. Darin sind Gruppen von aufregenden Neuronen eng miteinander verbunden, und hemmende Neuronen sind zufällig mit aufregenden Neuronen verbunden, was einen breiten Dämpfungseffekt auf das gesamte System hat. "Eine solche Cluster-Architektur ist von grundlegender Bedeutung für die Schaffung von Metastabilität", sagte Fontanini.

Fontanini, La Camera und ihr Kollege, ein Postdoc, Luca Mazzukato (jetzt an der University of Oregon), stellten fest, dass dieselbe Netzwerkstruktur erforderlich war, um den Warteeffekt wiederherzustellen. In einem metastabilen Modell der Cluster-Architektur simulierten die Forscher einen Warnhinweis, gefolgt von einem bestimmten Geschmacksreiz. Infolgedessen reproduzierten sie erfolgreich das beschleunigte Kodierungsschema, das Fontanini 2012 bei Ratten beobachtete: Die Übergänge von einem metastabilen Zustand in einen anderen wurden beschleunigt, wodurch das System schnell in Kodierungszustände wechseln konnte. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass durch die Schaffung eines Netzwerks zur Demonstration metastabiler Aktivitätsmuster „viele neurologische Reaktionen erfasst und gleichzeitig der Geschmack stimuliert werden können“, sagte Fontanini.

Als die Forscher versuchten, Warnmeldungen und Stimuli in einem Netzwerk ohne Cluster-Neuronen zu simulieren, konnten sie die Ergebnisse von 2012 nicht wiederholen. Daher "ist dieser Effekt nur in Netzwerken eines bestimmten Typs möglich", sagte Katz.

Weniger stressiger Spaziergang

Die Entdeckung schien erstens bemerkenswert, weil sie eine Vorstellung davon gab, nach welcher Art von Architektur im realen Geschmackskortex zu suchen ist - und möglicherweise in anderen Teilen des Kortex, die für die Sinnesorgane verantwortlich sind. Bisher streiten sich Neurowissenschaftler darüber, wie der Geschmack verarbeitet wird: Einige sagen, dass bestimmte bestimmte Neuronen „süß“ und andere „salzig“ codieren können, was für bestimmte Geschmäcker charakteristische neurologische Reaktionen hervorruft. Andere assoziieren es mit breiteren Aktivitätsmustern; Die meisten Neuronen reagieren auf die meisten Geschmäcker, und das resultierende neurologische Schema entspricht in etwa dem einen oder anderen Geschmack. Die Arbeit von Fontanini und Kollegen unterstützt die neueste Theorie und sagt genau voraus, wie diese Struktur aussehen soll. Bereits nur Cluster "umreißen die vielen Eigenschaften der Geschmacksrinde", sagte Fontanini, "spontane Aktivität, eine Folge von Rückmeldungen über den Geschmack, die Wirkung der Erwartung." Er hofft, weiterhin die Geschichte der Bildung dieser Cluster und die anderen Arten von Nervenaktivität, die sie beeinflussen, aufzudecken.

Es beschreibt auch die neuronale Basis für Erwartungen im Gehirn. Der Warntipp erregt nicht nur bestimmte Neuronen oder verursacht bestimmte Bedingungen, die dann den Reiz codieren. Stattdessen ändert das Warten die Dynamik - insbesondere die Schaltgeschwindigkeit - des gesamten Systems.

Fontanini und la Camara vergleichen diese Dynamik mit einem Ball, der sich über eine mit Gräben gefüllte Landschaft bewegt. Diese Aussparungen zeigen Reaktionszustände an, und die Erwartung kippt das Gelände, sodass der Ball schneller in den ersten Graben fällt. Es glättet auch hügeliges Gelände, entlang dessen der Ball von einem Zustand in einen anderen wechseln muss, erleichtert diesen Übergang und bleibt stecken.

Das heißt, das Warten macht das Netzwerk weniger klebrig. Es ermöglicht Ihnen einen leichteren Weg zu Zuständen, die tatsächlich den Geschmack codieren, bietet jedoch keine solche Stabilität, dass das System in einem Zustand festsitzt. Dieses Problem plagt häufig solche Cluster-Netzwerke: Aufgrund dieser Gruppierung erweisen sich einige „Gräben“ als zu tief, und das System verstärkt falsche Informationen. Diese Entdeckungen besagen jedoch, dass zur Lösung dieses Problems "kein komplexes System erforderlich ist", sagte Georg Keller, ein Neurowissenschaftler, der die Arbeit des Sehens am Institut für biomedizinische Forschung studiert. Friedrich Miescher in der Schweiz.

Fontanini und la Camera hoffen, dass ein ähnlicher Mechanismus die Arbeit anderer Prozesse erklären kann, die den Kontext über die Erwartungen hinaus bringen, wie Aufmerksamkeit und Lernen. Aber vielleicht "wird die wichtigste Konsequenz unserer Arbeit eine Verschiebung der Aufmerksamkeit von der statischen Reaktion von Neuronen, die bestimmte Reaktionen codieren, auf ihr dynamisches Verhalten sein", sagte la Camera.

Obwohl der Ansatz zur Erforschung der Neurobiologie durch dynamische Systeme nicht als neu bezeichnet werden kann, war es schwierig zu testen und zu modellieren. Experten tendieren normalerweise zu einer hierarchischen Struktur der Darstellung der sensorischen Wahrnehmung: Der Kortex baut Merkmale für die Bildung von Wahrnehmungen auf und integriert sie. Er sendet Signale an andere Schichten des Netzwerks, die noch mehr Informationen integrieren, bis das Gehirn eine Entscheidung trifft oder sich für ein Verhalten entscheidet.

Dies ist in diesem Artikel jedoch nicht der Fall. Die Ergebnisse des Teams sprechen für eine andere Idee der Signalverarbeitung, bei der "alles zur gleichen Zeit geschieht, bevor das Stimulus-Signal eintrifft", sagte Leslie Kay, Neurowissenschaftlerin an der Universität von Chicago, die am Geruch arbeitet. "Die gelernten Informationen befinden sich im Kortex, bilden ein System miteinander verbundener Gruppen von Neuronen, die diese Informationen bezeichnen, und dann beeinflussen Sie sie mithilfe von Erwartungen, was zur Manifestation dessen führt, was dieses System weiß."

Plötzlicher Ansturm

Aus dem Modell folgt, dass der Entscheidungsprozess keine reibungslose Konstruktion ist, die auf den erhaltenen Informationen basiert, sondern so etwas wie eine Folge von Einsichten, ein Sprung neuronaler Schwankungen. Katz verwendete das gleiche Modell wie Fontanini mit la Camera, um die Idee zu unterstützen, dass die Entscheidungsfindung "in einem plötzlichen Ansturm erfolgt".

Die Verbindung zwischen diesen "völlig unterschiedlichen Geschmackswinkeln" - der Arbeit von Fontanini über die Verarbeitung von Sinnesempfindungen und deren Untersuchung ihrer Weiterverarbeitung - lässt Katz in einem Zustand "freudiger Vorfreude" zurück.

Sie betont auch die Notwendigkeit, sich von der Konzentration auf einzelne Neuronen zu entfernen, die auf bestimmte Aufforderungen reagieren, und sich internen Zuständen und Dynamiken zuzuwenden, um die Funktionsweise von Sensornetzwerken besser zu verstehen - selbst bei den grundlegendsten sensorischen Reizen. "Es ist viel einfacher zu sagen, dass ein Neuron die Anzahl der Aktivierungen erhöht", sagte Anan Moran, Neurowissenschaftler an der Universität Tel Aviv in Israel. Um zu verstehen, wie Organismen funktionieren, "können Sie nicht nur den Reiz berücksichtigen, sondern müssen mit dem inneren Zustand rechnen", fügte er hinzu. "Und dies bedeutet, dass unsere bisherige Vorstellung von dem Mechanismus, den das Gehirn zur Implementierung von Empfindungen, Aktionen usw. verwendet, überprüft werden muss."

"Das meiste, was im Geschmackskortex passiert, bevor der Reiz ihn erreicht, hängt mit seiner Verarbeitung bei der Ankunft zusammen", sagte Katz. In diesem Fall hat eine Studie darüber, wie sich diese internen Zustände unter dem Einfluss von Erfahrungen oder Hinweisen ändern, neue Informationen über die Netzwerkkonnektivität ergeben.

Nun, sagte Moran, sollte eine solche kontextbezogene Abhängigkeit anderen Studien der Wahrnehmung und des Denkens unterzogen werden. „Die letzte Grenze ist das visuelle System. Solche Arbeiten können uns etwas Interessantes über die Verarbeitung visueller Informationen erzählen. "

„Wir haben noch kein gutes, einheitliches Modell, das all diese Aktivitäten kombiniert“, fügte er hinzu. Dies ist jedoch ein "guter Ausgangspunkt".