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 Test hilft uns, unsere Reaktion beim nächsten Mal besser einzustellen. Ein Forscherteam hat nun gezeigt, dass der Hippocampus bei den dafür notwendigen Verarbeitungsprozessen eine wichtige Rolle spielt. Diese Region des Gehirns ist auch an der Bildung des Langzeitgedächtnisses beteiligt.

Unser Gehirn löst täglich komplexe Aufgaben, bei denen es darum geht, den perfekten Zeitpunkt zu finden. Ein einfaches Beispiel ist das Ballspiel: Wenn uns jemand einen Ball zuwirft, berechnet unser Gehirn in Sekundenbruchteilen, wie schnell und in welche Richtung der Ball fliegt und wo und wann wir ihn am besten fangen. Bei wiederholten Tests werden auch Informationen aus früheren Tests einbezogen, um die Reaktion genauer zu machen.

Virtuelles Fangspiel im MRT

„Jeder Wurf unterscheidet sich geringfügig vom vorherigen“, sagt Ignatius Polti von der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie in Trondheim. „Manche Bälle kommen früher an, andere später.“ Während des Spiels lernt das Gehirn die Verteilung der Ankunftszeiten und bildet daraus Erwartungen für die Zukunft. Kombinieren wir dieses Vorwissen mit konkreten Informationen über den aktuellen Wurf, können wir das Timing verbessern unsere Fangversuche.” Er hat mit seiner Gruppe untersucht, wie unser Gehirn das kann und welche Hirnregionen an der Verarbeitung beteiligt sind.

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Um zu beobachten, wie das Gehirn aktuelle und vergangene Informationen koordiniert, ließen Polti und sein Team 34 Probanden ein virtuelles Fangspiel im MRT-Scanner spielen. Ein Punkt bewegt sich in einer geraden Linie auf den Rand eines Kreises zu. Bevor er sein Ziel erreichte, verschwand er. Die Probanden wurden gebeten, einen Knopf zu drücken, wenn sie glaubten, dass der Punkt den Rand des Kreises erreichen sollte. Jeder von ihnen erhielt sofort eine Rückmeldung, wie genau seine Schätzung war. „Uns interessierte, wie die Teilnehmenden die Verteilung der Zeitintervalle bei dieser Aufgabe wahrnehmen und wie sie ihre Überzeugungen über diese Verteilung im Laufe der Zeit aktualisieren“, erklärt Poltis Kollege Matthias Nau. „Dieser Aktualisierungsprozess ist wichtig, weil er es uns ermöglicht, uns flexibel an sich ändernde ethische Anforderungen in unserem Umfeld anzupassen.“

Orientierung am Durchschnitt

Im Allgemeinen waren die Schätzungen der Teilnehmer in der Regel nahe an der Wahrheit. Sie funktionieren am besten, wenn sich der Punkt mit mäßiger Geschwindigkeit bewegt. Wenn er sich zu schnell oder zu langsam bewegt, neigen die Probanden dazu, kurze Dauern zu überschätzen und lange zu unterschätzen. “Mit anderen Worten, ihre Schätzungen wichen vom Durchschnitt aller Tests ab”, sagte Polti. „Wir glauben, dass dieser Trend die Vertrautheit der Teilnehmer mit der Bandbreite der im Spiel erlebten Zeitintervalle widerspiegelt, und dass dies eine wichtige Verhaltensanpassung ist, um mit Unsicherheit umzugehen – wenn man sich über den aktuellen Prozess nicht sicher ist, kann man es allen gemeinsam sein.“ Versuchen Sie, ein guter Rater zu sein.”

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Aktivität im Hippocampus

Daher muss das Gehirn der Probanden die Verteilung der erlebten Zeitintervalle tatsächlich errechnet und in die Entscheidung mit einbezogen haben. Anhand von MRT-Bildern verfolgte Poltis Team, wie sich dies in der Gehirnaktivität widerspiegelte. „Wir fanden Hinweise auf lernbezogene Veränderungen im gesamten Gehirn, insbesondere in Regionen, die häufig im Zusammenhang mit der Belohnungsverarbeitung und dem Gedächtnis untersucht werden“, sagte Poltis Kollege Christian Doeller.

Besonders bemerkenswert ist die Aktivität im Hippocampus. „Der Hippocampus wird traditionell nicht als Ort angesehen, der sensomotorische Funktionen steuert, und seine Beiträge zur Gedächtnisbildung werden oft über längere Zeiträume (Stunden, Tage, Wochen) diskutiert“, erklärten die Forscher. “In dieser Studie fanden wir jedoch eine Beziehung zwischen Hippocampus-Aktivität und tatsächlicher Verhaltensleistung bei einer schnellen Zeitmessungsaufgabe, von der traditionell angenommen wurde, dass sie vom Hippocampus unabhängig ist.”

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Statistische Informationen und flexibles Verhalten

Die Forscher fanden heraus, dass die Hippocampus-Aktivität aus dem Feedback vorhergesagt werden konnte, das die Teilnehmer im vorherigen Experiment erhalten hatten. Die Aktivität war am höchsten, wenn Benutzer Feedback erhielten, dass sie eine genaue Schätzung vorgenommen hatten. Als sie die Rückmeldung erhielten, dass sie daneben lagen, war die Hippocampus-Aktivität am niedrigsten. Darüber hinaus zeigt die Hippocampus-Aktivität Verhaltenstendenzen, kurze Dauern zu übertreiben und lange Dauern zu unterschätzen.

Dies deutet darauf hin, dass die Teilnehmer ihr Wissen über die Verteilung der Zeitintervalle tatsächlich verfeinern und aktualisieren, wenn sie Feedback erhalten, und dass der Hippocampus in diesem Prozess eine entscheidende Rolle spielt. “Wir glauben, dass die von uns entdeckten neuronalen Mechanismen über das Intervalllernen hinausgehen und weitgehend verändertem Verhalten zugrunde liegen. Stattdessen könnten sie zeigen, wie wir durch nützliches Feedback im Allgemeinen lernen können”, sagte er Mathias Nau.

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

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