Um die Aufmerksamkeit zu erhöhen, erhöht unser Gehirn nicht die Konzentration, sondern verwendet Informationsfilter

Ein neuronales Netzwerk, das ablenkende Informationen von den Sinnen unterdrückt, ist der Schlüssel, um die Arbeit der Aufmerksamkeit und anderer kognitiver Prozesse zu enträtseln.

Wir achten nur auf einen kleinen Teil der Informationen aus den Sinnesorganen, die zu uns kommen. Neue Forschungsergebnisse helfen zu verstehen, wie das Gehirn zu jedem Zeitpunkt die am wenigsten interessanten Empfindungen herausfiltert.

Wir können das Gespräch in einem lauten Raum mithören, unter anderem, wenn die Stimmen leiser oder lauter werden, oder im Summen der Klimaanlage. Wir können einen Schlüsselbund in einem Meer von Müll oder einen Waschbären sehen, der über das Auto rast. Manchmal können wir uns selbst mit einer großen Menge an Informationen, die unsere Sinne füllen, auf das konzentrieren, was uns wichtig ist, und entsprechend handeln.

Aufmerksamkeitswechselprozesse helfen dem Gehirn, das mit dem gewünschten Reiz verbundene „Scheinwerferlicht“ einzuschalten und alles andere herauszufiltern. Neurowissenschaftler wollen die neuronalen Netze identifizieren, die diesen Scheinwerfer leiten und speisen. Seit Jahrzehnten ist ihre Forschung mit dem Kortex verbunden, einer Wellenstruktur auf der Oberfläche des Gehirns, die normalerweise mit Intelligenz und der Arbeit des Geistes verbunden ist. Es wurde klar, dass die Aktivität des Kortex die Signalverarbeitung verbessert, um sich auf die Dinge zu konzentrieren, die uns interessieren.

Einige Forscher versuchen heute jedoch, einen anderen Ansatz zu verwenden, indem sie untersuchen, wie das Gehirn Informationen unterdrückt und nicht wie sie diese ergänzen. Noch wichtiger war, dass der Prozess ältere und tiefere Teile des Gehirns betraf - Bereiche, die selten als mit der Aufmerksamkeit verbunden angesehen werden.

Aus diesem Grund begannen die Wissenschaftler unabsichtlich allmählich, besser zu verstehen, wie tief und untrennbar Körper und Geist miteinander verbunden sind - durch die automatische Wahrnehmung von Empfindungen, körperlichen Bewegungen und Bewusstsein auf höherer Ebene.

Jagd nach neuronalen Netzen

Die Aufmerksamkeit schien so stark mit dem Bewusstsein und anderen komplexen Funktionen des Gehirns verbunden zu sein, dass Wissenschaftler es für einige Zeit in erster Linie als Manifestation der Arbeit der Großhirnrinde betrachteten. Zum ersten Mal wurde diese Idee 1984 ernsthaft aufgegeben, als Francis Crick, bekannt für seine Arbeit an DNA-Strukturen, vorschlug, dass das „Scheinwerferlicht“ von einer tiefen Region des Gehirns gesteuert wird, dem Thalamus , von der ein Teil Daten von den Sinnen empfängt und an den Kortex überträgt . Er entwickelte die Theorie, dass der sensorische Thalamus nicht nur als Sender, sondern auch als Wächter fungiert - nicht nur als Brücke, sondern auch als Sieb, das einen Teil des Datenstroms zurückhält, um ein bestimmtes Konzentrationsniveau zu erreichen.

Es sind jedoch Jahrzehnte vergangen, und Versuche, den dafür verantwortlichen Mechanismus zu bestimmen, sind gescheitert - insbesondere, weil es äußerst schwierig ist, die Aufmerksamkeit von Tieren im Labor zu untersuchen.


Michael Halassa, Neurowissenschaftler am MIT

Dies hielt Michael Halassa , einen Neurowissenschaftler am Brain Research Institute, nicht auf. McGovern am MIT. Er wollte genau bestimmen, wie die sensorischen Daten gefiltert werden, bevor diese Informationen die Großhirnrinde erreichen, um ein bestimmtes neuronales Netzwerk zu finden, das laut Crick daran beteiligt ist.

Er wurde von einer dünnen Schicht hemmender Neuronen angezogen, dem „Retikulumkern des Thalamus“ (SNF), der als Membran des Thalamus dient. Als Halassa ein Postdock wurde, hatte er bereits einen ungefähren Screening-Mechanismus gefunden: SNF fehlten sensorische Daten, wenn das Tier wach war, und achtete auf einige Aspekte der Umgebung, blockierte sie jedoch, wenn es schlief.

Im Jahr 2015 stellten Halassa und Kollegen eine noch feinere Abbrecherquote fest, die es uns ermöglichte, SNF zuverlässiger dem lang ersehnten neuronalen Netzwerk zuzuordnen. Diesmal ging es darum, wie Tiere entscheiden, worauf sie sich konzentrieren sollen, wenn ihre Aufmerksamkeit auf mehrere Organe aufgeteilt wird Gefühle. Die Studie verwendete Mäuse, die darauf trainiert waren, den Anweisungen von blinkendem Licht und Ton zu folgen. Dann schalteten die Wissenschaftler die Tiere gleichzeitig mit mehreren widersprüchlichen Befehlen aus Licht und Ton an und wiesen sie darauf hin, welches Signal ignoriert werden sollte. Die Reaktion der Mäuse zeigte, wie effektiv sie sich konzentrieren konnten. In dem Experiment verwendeten die Wissenschaftler gut etablierte Techniken zur Deaktivierung der Aktivität in verschiedenen Teilen des Gehirns, um zu sehen, in welchen Fällen die Tiere daran gehindert würden, effektiv zu handeln.

Wie erwartet war die Rolle des präfrontalen Kortex, der Befehle auf hoher Ebene an andere Teile des Gehirns weiterleitet, von entscheidender Bedeutung. Das Team stellte jedoch auch fest, dass, wenn die Mäuse im Experiment auf das Sehen achten mussten, das Trennen der Neuronen im visuellen SNF sie am Handeln hinderte. Auch wenn diese Neuronen ausgeschaltet waren, hatten Mäuse Schwierigkeiten, sich auf den Klang zu konzentrieren. Tatsächlich verdrehte das neuronale Netzwerk die Abstimmungsknöpfe eher für hemmende als für anregende Prozesse, und SNF hemmte Informationen, die der präfrontale Kortex als störend ansah. Wenn die Maus den auditorischen Informationen Vorrang einräumen musste, gab der präfrontale Kortex dem visuellen SAT ein Signal, um die Aktivität zur Unterdrückung des visuellen Thalamus zu erhöhen, wodurch der Fluss unnötiger visueller Daten abgeschaltet wurde.

Es stellte sich heraus, dass die Metapher mit der Aufmerksamkeit als Suchscheinwerfer umgekehrt funktioniert: Das Gehirn verstärkt nicht das „Licht“ des Stimulus, der für es von Interesse ist, sondern „dimmt das Licht“ von allem anderen.

Trotz des Erfolgs der Studie standen die Wissenschaftler vor einem Problem. Sie bestätigten Cricks Verdacht: Der präfrontale Kortex steuert den Thalamusfilter auf eingehende sensorische Informationen. Der präfrontale Kortex ist jedoch nicht direkt mit den sensorischen Teilen des SNF verbunden. Teile des neuronalen Netzes fehlten.

Bis vor kurzem. Und schließlich haben Halassa und Kollegen die letzten Teile des Puzzles eingesetzt, und die Ergebnisse haben viel darüber gezeigt, wie man die Aufmerksamkeit studiert.

Wir blockieren, beschatten, blinken

Anhand von Experimenten, die denen aus dem Jahr 2015 ähnelten, untersuchten die Teammitglieder die funktionelle Interaktion verschiedener Teile des Gehirns sowie die neuronalen Verbindungen zwischen ihnen. Sie fanden heraus, dass sich ein vollständiges neuronales Netzwerk vom präfrontalen Kortex bis zu tieferen Strukturen erstreckt, den Basalkernen (oft mit Motilität und vielen anderen Funktionen verbunden), dann zum SNF und zum Thalamus geht und dann zu den höheren Regionen des Kortex zurückkehrt. So können beispielsweise visuelle Informationen, die von den Augen zum visuellen Thalamus gelangen, fast sofort abgefangen werden, wenn sie nicht mit der ausgeführten Aufgabe zusammenhängen. Die Basalkerne können eingreifen und SNF aktivieren, um externe Stimuli gemäß den Anweisungen des präfrontalen Kortex zu filtern.

"Dies ist ein interessanter Rückkopplungspfad, den meiner Meinung nach noch niemand zuvor beschrieben hat", sagte Richard Krautslis , ein Neurowissenschaftler am National Eye Institute der National Institutes of Health in Maryland, der nicht an der Studie beteiligt war.

Darüber hinaus stellten die Forscher fest, dass der Mechanismus nicht nur ein Gefühl herausfiltert, um die Aufmerksamkeit auf ein anderes zu lenken, sondern auch Informationen in diesem einen Gefühl herausfiltert. Wenn Mäusen angedeutet wurde, dass sie auf bestimmte Geräusche achten müssen, half SNF dabei, das Hintergrundgeräusch im Schallsignal zu unterdrücken. Das Ergebnis der Verarbeitung der Eingabedaten aus den Sinnesorganen "kann viel genauer sein, als einfach die gesamte Thalamusregion für eine sensorische Modalität zu unterdrücken, was eine ziemlich grobe Form der Unterdrückung darstellt", sagte Duje Tadin , Neurowissenschaftler an der Universität von Rochester.

"Wir achten oft nicht darauf, wie wir weniger wichtige Dinge loswerden", fügte er hinzu. "Und ich denke, es gibt eine effizientere Möglichkeit, mit Informationen umzugehen." Wenn Sie sich in einem lauten Raum befinden, können Sie versuchen, Ihre Stimme so zu erheben, dass Sie gehört werden - oder Sie können versuchen, die Geräuschquelle zu beseitigen. Tadin untersucht die Unterdrückung von Hintergrundeffekten in anderen Prozessen, die automatisch und auch schneller als selektive Aufmerksamkeit auftreten.

Die Entdeckungen von Halassa legen nahe, dass das Gehirn Informationen von außen früher als gedacht abschaltet. "Was interessant ist", sagte Jan Fiebelkorn , ein kognitiver Neurowissenschaftler an der Princeton University, "beginnt die Filterung bereits in diesem ersten Schritt, bevor die Informationen den visuellen Kortex erreichen."



Es gibt eine offensichtliche Schwachstelle in der Ejektionsstrategie des Gehirns für sensorische Informationen - nämlich die Gefahr, dass weggeworfene Daten unerwartet wichtig werden. Fiebelkorns Arbeit legt nahe, dass das Gehirn einen Weg hat, sich gegen solche Risiken zu versichern.

Laut Fiebelkorn stellen sich die Menschen das Scheinwerferlicht als konstanten Lichtstrahl vor, der die Orte hervorhebt, an denen das Tier seine kognitiven Ressourcen lenken sollte. "Aber meine Forschung zeigt, dass dies nicht so ist", sagte er. "Anscheinend blinkt dieser Scheinwerfer."

Nach seinen Entdeckungen wird der Fokus des Scheinwerfers schwächer als viermal pro Sekunde, wahrscheinlich damit sich das Tier nicht zu sehr auf einen Ort oder einen Reiz konzentriert. Diese kurze Unterdrückung wichtiger Informationen spornt periphere Reize an und ermöglicht es dem Gehirn, seine Aufmerksamkeit bei Bedarf auf etwas anderes zu lenken. "Das Gehirn soll anscheinend regelmäßig abgelenkt werden", sagte er.

Fibelcorn und Kollegen untersuchen subkortikale Regionen mit dem Ziel, die Struktur neuronaler Netze aufzudecken. Bisher untersuchen sie die Rolle eines anderen Abschnitts des Thalamus, planen aber in Zukunft, wie das Team von Halassa, mit den Basalganglien umzugehen.

In Aktion denken

Diese Arbeiten markieren eine signifikante Verschiebung in der Neurobiologie: Sobald die Aufmerksamkeitsprozesse als ausschließliche Domäne des Kortex angesehen wurden. Krautslis zufolge ist es in den letzten fünf Jahren jedoch "etwas offensichtlicher geworden, dass dies alles unter der Rinde geschieht".

"Die meisten Menschen möchten, dass die Großhirnrinde die ganze harte Arbeit leistet, aber ich halte das nicht für realistisch", sagte John Maunsel , Neurowissenschaftler an der Universität von Chicago.


Halassa mit einem Multi-Elektroden-Array, mit dem er und seine Kollegen die Gehirnaktivität kontrollierten

Besonders interessant ist die Entdeckung der Rolle der Basalganglien in der Aufmerksamkeitsarbeit durch Halassa. Insbesondere, weil es sich um einen so alten Teil des Gehirns handelt, der nicht als Teil des Netzwerks angesehen wurde, das für die selektive Aufmerksamkeit verantwortlich ist. "Fische haben es auch", sagte Krautslis. "Bis zu den frühesten Wirbeltieren, einschließlich Neunaugen, die nicht einmal einen Kiefer haben" - oder einen Neokortex - "haben sie im Wesentlichen eine einfache Version der Basalganglien und einige dieser gleichen neuronalen Netze." Neuronale Fischnetze können uns sagen, wie sich die Aufmerksamkeit entwickelt hat.

Halassa ist besonders daran interessiert, dass sich der Zusammenhang zwischen Aufmerksamkeit und Basalganglien im Bereich von Krankheiten wie Aufmerksamkeitsdefizitstörung und Autismus öffnen kann, die sich häufig als Überempfindlichkeit gegen bestimmte eingehende sensorische Daten manifestieren.

Das vielleicht interessanteste an der Beteiligung der Basalganglien an diesen Prozessen ist jedoch, dass diese Struktur in der Regel mit motorischer Kontrolle verbunden ist, und einige neuere Studien verbinden sie zunehmend mit Lernen mit Belohnungen, Entscheidungsfindung und anderen Motivationsarten Verhalten.

Nach der Arbeit im Halassa-Labor wurde die Rolle der Basalganglien um die Verwaltung sensorischer Daten erweitert. Dies unterstreicht die Tatsache, dass "Aufmerksamkeit wirklich darin besteht, in der richtigen Reihenfolge von einem zum anderen zu wechseln, wobei Sie nicht von etwas abgelenkt werden, das Sie nicht ablenken sollte", sagte Maunsel. "Die Idee, Motilitätsstrukturen in diesen Prozess einzubeziehen, ist sinnvoll - sie sollten im Mittelpunkt des Entscheidungsprozesses stehen, was Sie im nächsten Moment tun und worauf Sie sensorische Ressourcen konzentrieren sollten."

Dies fällt mit der wachsenden Popularität von Aufmerksamkeit und Denken als Prozesse zusammen, die auf dem sogenannten „Aufmerksamkeits-Denken“ basieren "Aktive Erkenntnisse." Das Gehirn entnimmt nicht nur passiv Informationsproben aus der Umgebung und reagiert auf empfangene externe Reize. Der umgekehrte Prozess findet ebenfalls statt - so kleine physische Bewegungen wie das Blinken steuern auch die Wahrnehmung. Sensorische und motorische Systeme "funktionieren nicht getrennt, sie haben sich zusammen entwickelt", sagte Fiebelkorn. Die für die Beweglichkeit verantwortlichen Regionen helfen daher nicht nur, die Leistungsparameter (Tierverhalten) mitzugestalten; Sie helfen auch bei der Gestaltung und Eingabe. Halassas Entdeckungen liefern weitere Beweise für eine solche proaktive Rolle.

„Wahrnehmung ist gut zum Handeln, weil wir uns die Welt irgendwie vorstellen müssen, um darin zu handeln“, sagte Helin Slagter , Kognitionswissenschaftler an der Universität Amsterdam. "Und zum größten Teil lernen wir, die Welt um uns herum durch Handeln wahrzunehmen." Eine große Anzahl interner Verbindungen mit der Großhirnrinde legt nahe, dass diese subkortikalen Strukturen neben der Kontrolle der Aufmerksamkeit eine viel größere Rolle bei höheren kognitiven Funktionen spielen, als oft angenommen wird.

Und dies kann uns wiederum Anregungen zum Thema Bewusstsein geben, dem schwer fassbaren Forschungsthema in der Neurobiologie. Wie aus einer Studie von Halassa und anderen hervorgeht, "wenn wir die Korrelation von neuronalen Verbindungen und Aufmerksamkeit untersuchen, untersuchen wir tatsächlich in gewissem Maße die Korrelation von neuronalen Verbindungen und Wahrnehmung", sagte Maunsel. "Dies ist Teil einer größeren Geschichte, die versucht zu verstehen, wie das Gehirn funktioniert."

Slagter untersucht nun die Rolle der Basalganglien in der Arbeit des Bewusstseins. „Wenn wir die Welt wahrnehmen, benutzen wir unsere Körper nicht nur, wir fühlen sie durch Körper. Und das Gehirn baut eine Repräsentation der Welt auf, um darin sinnvoll zu handeln “, sagte sie. "Folglich muss bewusste Wahrnehmung eng mit Handlungen verbunden sein", wie Aufmerksamkeit. "Bewusstsein muss handlungsorientiert sein."