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Hirnforschung

Wie unser Gehirn Feedback verarbeitet

Bei Ballspielen, ist das richtige Timing wichtig - wie lernt unser Gehirn das? © skynesher/iStock

Wollen wir einen Ball fangen, muss unser Gehirn in Sekundenbruchteilen die aktuelle Flugbahn und Geschwindigkeit des Balls verarbeiten und zugleich mit Vorerfahrungen abgleichen, wie wir bei früheren Versuchen den Ball gefangen oder verfehlt haben. Jeder weitere Versuch hilft uns, unsere Reaktion beim nächsten Mal besser anzupassen. Ein Forschungsteam hat nun gezeigt, dass an den dafür erforderlichen Verarbeitungsprozessen entscheidend der Hippocampus beteiligt ist. Diese Hirnregion wurde bislang eher mit der langfristigen Gedächtnisbildung in Verbindung gebracht.

Unser Gehirn löst alltäglich komplexe Aufgaben, bei denen es darauf ankommt, das perfekte Timing zu finden. Ein einfaches Beispiel ist ein Ballspiel: Wirft uns jemand einen Ball zu, kalkuliert unser Gehirn in Sekundenbruchteilen, wie schnell und in welche Richtung der Ball fliegt und an welcher Stelle zu welchem Zeitpunkt wir ihn am besten fangen können. Bei wiederholten Versuchen bezieht es auch Informationen aus vorangegangenen Versuchen ein, um die Reaktion noch zielgenauer zu gestalten.

Virtuelles Fangspiel im MRT

„Jeder Wurf unterscheidet sich geringfügig von dem vorherigen“, 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 nutzt diese Informationen, um Erwartungen für zukünftige Würfe zu bilden. Wenn wir dieses Vorwissen mit spezifischen Informationen über den aktuellen Wurf kombinieren, können wir das Timing unserer Fangversuche verbessern.“ Gemeinsam mit seinem Team hat er untersucht, wie unser Gehirn dazu in der Lage ist und welche Hirnregionen an der Verarbeitung beteiligt sind.

Um dem Gehirn dabei zuzuschauen, wie es aktuelle und vorangegangene Informationen koordiniert, ließen Polti und sein Team 34 Probanden im Kernspintomographen ein virtuelles Fangspiel spielen. Dabei bewegte sich ein Punkt gradlinig auf den Rand eines Kreises zu. Kurz bevor er sein Ziel erreichte, wurde er ausgeblendet. Die Probanden sollten einen Knopf drücken, wenn sie annahmen, dass der Punkt am Kreisrand angekommen sein müsste. Unmittelbar darauf erhielten sie jeweils ein Feedback, wie genau ihre Schätzung war. „Wir waren daran interessiert, wie genau die Teilnehmer die Verteilung der Zeitintervalle in dieser Aufgabe lernen und wie sie ihre Überzeugungen über diese Verteilung im Laufe der Zeit aktualisieren“, erklärt Poltis Kollege Matthias Nau. „Dieser Aktualisierungsprozess ist von entscheidender Bedeutung, da er es uns ermöglicht, uns flexibel an veränderte Verhaltensanforderungen in unserer Umgebung anzupassen.“

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Orientierung am Durchschnitt

Insgesamt lagen die Teilnehmer mit ihren Schätzungen meist recht nah an der Realität. Am besten schnitten sie ab, wenn sich der Punkt mit einer mittleren Geschwindigkeit bewegte. Bewegte er sich besonders schnell oder langsam, zeigten die Probanden die Tendenz, kurze Dauern zu überschätzen und lange Dauern zu unterschätzen. „Mit anderen Worten, ihre Schätzungen waren in Richtung des Durchschnitts aller Versuche verzerrt“, sagt Polti. „Wir glauben, dass diese Tendenz die Vertrautheit der Teilnehmer mit der Bandbreite der im Spiel erlebten Zeitintervalle widerspiegelt und dass es sich dabei um eine wichtige Verhaltensanpassung zur Bewältigung von Ungewissheit handelt – wenn man sich über den aktuellen Versuch unsicher ist, könnte der Durchschnitt aller anderen Versuche ein guter Schätzwert sein.“

Aktivität im Hippocampus

Das Gehirn der Probanden musste also tatsächlich die Verteilung der erlebten Zeitintervalle verrechnet und in die Entscheidung einbezogen haben. Anhand der MRT-Aufnahmen verfolgte Poltis Team nach, wie sich das in der Gehirnaktivität widerspiegelt. „Wir fanden Hinweise auf lernbezogene Veränderungen im gesamten Gehirn, insbesondere in Regionen, die typischerweise im Zusammenhang mit Belohnungsverarbeitung und Gedächtnis untersucht werden“, sagt Poltis Kollege Christian Doeller.

Auffällig war besonders die Aktivität im Hippocampus. „Der Hippocampus gilt traditionell nicht als ein Ort, der sensomotorische Funktionen steuert, und seine Beiträge zur Gedächtnisbildung werden in der Regel auf längeren Zeitskalen (Stunden, Tage, Wochen) diskutiert“, erklären die Forscher. „In dieser Studie haben wir jedoch eine Beziehung zwischen der Aktivität des Hippocampus und der Echtzeit-Verhaltensleistung bei einer schnellen Timing-Aufgabe festgestellt, von der man traditionell annimmt, dass sie unabhängig vom Hippocampus ist.“

Statistische Informationen und flexibles Verhalten

Die Forscher fanden heraus, dass die Aktivität des Hippocampus tatsächlich durch das Feedback, das die Teilnehmer im vorherigen Versuch erhalten hatten, vorhergesagt werden konnte. Am höchsten war die Aktivität, wenn die Nutzer das Feedback erhielten, eine besonders genaue Schätzung abgegeben zu haben. Erhielten sie das Feedback, weit danebengelegen zu haben, war die Hippocampus-Aktivität am geringsten. Darüber hinaus spiegelte die Aktivität im Hippocampus die Tendenz im Verhalten wider, kurze Dauern zu überschätzen und lange Dauern zu unterschätzen.

Dies deutet darauf hin, dass die Teilnehmer ihr Wissen über die Verteilung der Zeitintervalle tatsächlich verfeinerten und aktualisierten, wenn sie Feedback erhielten, und dass der Hippocampus bei diesem Prozess eine entscheidende Rolle spielt. „Wir glauben, dass die von uns entdeckten neuronalen Mechanismen über das Lernen von Intervallen hinausreichen und flexiblem Verhalten weitgehend zugrunde liegen. Sie könnten vielmehr widerspiegeln, wie wir ganz allgemein durch konstruktives Feedback lernen und wie das Gehirn Überzeugungen in Echtzeit bildet und aktualisiert“, sagt Matthias Nau.

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

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