- Die Forschung zeigt, dass der obere Hügel mit der Vorhersage visueller und taktiler Reize vor der Wahrnehmung beginnt.
- Das Konzept der Vorhersageverarbeitung besagt, dass das Gehirn kontinuierlich auf sensorische Eingaben vorbereitet ist.
- Die Studie verwendete 7 Tesla fMRI, um die Aktivität des oberen Hügels mit einer Auflösung von etwa 1 Millimeter zu untersuchen.
- Die Ergebnisse stellen das traditionelle Verständnis von Vorhersage in der Neurowissenschaft in Frage und zeigen, dass auch tiefere Strukturen an der Vorhersageverarbeitung beteiligt sind.
Wissenschaftler haben entdeckt, dass eine kleine Struktur im Mittelhirn bereits vor dem Eintreten visueller und taktiler Empfindungen mit der Vorhersage beginnt. Dies steht im Einklang mit der Auffassung, dass das Gehirn nicht nur auf sensorische Eingaben wartet, sondern auch bevorstehende Ereignisse vorhersagt. Eine neue Studie von MIT und Northeastern University, veröffentlicht in Nature Neuroscience, legt nahe, dass die Bereiche des Gehirns, die sensorische Informationen verarbeiten, auch dabei helfen, sich auf diese bevorstehenden Reize vorzubereiten. Der obere Hügel, der in der Beschreibung an Medical Xpress als „eine der am meisten erforschten Strukturen im Hirnstamm“ angesehen wird, zeigt ein deutliches Aktivitätsmuster, bevor die Probanden Bilder sehen oder physischen Druck spüren.
Die Forscher erklären weiter, dass diese Studie aus einem bekannten Konzept in der Neurowissenschaft, der Vorhersageverarbeitung, hervorgeht. Das Gehirn wartet nicht einfach auf Eingaben, sondern prognostiziert und bereitet sich kontinuierlich vor, da „Reaktionen nach dem Ereignis kostspielig sind“, so die Forscher.
Forschungsmethoden und Teilnehmer
Die Forscher untersuchten 80 Erwachsene mit hochauflösenden 7 Tesla funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI). Mit dieser Technik beobachteten sie die Aktivität des oberen Hügels mit einer Auflösung von etwa 1 Millimeter. Die Hälfte der Teilnehmer sah Bilder, während die andere Hälfte mechanischen Druck auf dem linken Daumen spürte. Die Forscher erklärten gegenüber Medical Xpress, dass diese Methoden von zwei Fragen geleitet wurden: „Wir wollten zwei Fragen beantworten. Erstens, ist der obere Hügel des Menschen, wie in Tierstudien gezeigt, organisiert, wobei die oberen Schichten auf visuelle und die unteren auf taktile Wahrnehmung fokussiert sind?
Zweitens, wie reagiert er, wenn eine bestimmte sensorische Stimulation bevorsteht?“ Vor der Stimulation führten diese Teilnehmer eine auf Formen basierende Entscheidungsaufgabe aus. Die Forscher verglichen anschließend die Veränderungen zwischen den beiden Aktivitätszuständen. Visuelle Reize erzeugten mehr Aktivität in den oberen Schichten des oberen Hügels, während taktile Reize in tieferen Schichten mehr Aktivität hervorriefen. „Noch wichtiger ist, dass dieses schichtenspezifische Muster selbst vor dem Eintreffen der Reize sichtbar wurde, als die Menschen lediglich auf ein Bild oder eine Berührung warteten“, berichtete Medical Xpress.
Neurophysiologische Mechanismen der Vorhersageverarbeitung
Die Studie zeigt, dass die Art der erwarteten sensorischen Erfahrung unterschiedliche Aktivitätsmuster im oberen Hügel hervorruft. Die Forscher verwendeten maschinelles Lernen, um zu bestimmen, ob die Muster der Gehirnaktivität visuelle und taktile Erfahrungen unterscheiden können. Sie beobachteten ähnliche Muster während der Erwartung und der tatsächlichen Stimulation, was die Ergebnisse der ersten Gehirnscans bestätigte. Die Forscher entdeckten auch diese Vorhersageantworten in zwei sensorischen Verarbeitungsbereichen des Thalamus, was darauf hindeutet, dass die Vorhersage mehrere Strukturen umfasst, die unterhalb der Großhirnrinde liegen. Diese Studie stellt das traditionelle Verständnis in der Neurowissenschaft in Frage. Normalerweise wird Vorhersage als „eine hochgradige Funktion, die in der Großhirnrinde stattfindet“ betrachtet, so Medical Xpress.
Die Studie zeigt jedoch, dass die tiefen Gehirnstrukturen, die Informationen zur Großhirnrinde weiterleiten, Teil eines umfassenderen Netzwerks sind, das auf bevorstehende Eingaben vorbereitet. Die Forscher räumten einige Einschränkungen ein, wie das Fehlen von Augenbewegungsaufzeichnungen während des Scans und Unsicherheiten. Einige der beobachteten Aktivitäten könnten lediglich allgemeine Erwartungen im Zusammenhang mit dem Experiment selbst sein. Dennoch deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass der obere Hügel an der Vorhersageverarbeitung beteiligt ist und nicht nur auf bevorstehende Informationen reagiert. „Zusammenfassend zeigt diese Studie, dass subkortikale Kerne keine passiven Empfänger sensorischer Eingaben sind, sondern sowohl auf sensorische Eingaben aus der externen Welt reagieren als auch Vorhersagen treffen“, so die Forscher in der Studie.
Die Forscher fassten in der Studie zusammen.
Die Rolle des oberen Hügels in der Wahrnehmungsvorhersage
Diese Studie enthüllt die aktive Rolle des oberen Hügels im Wahrnehmungsprozess und widerlegt die traditionelle Auffassung, dass sensorische Eingaben ausschließlich von der Großhirnrinde verarbeitet werden. Die Forschung zeigt, dass der obere Hügel nicht nur auf bevorstehende Reize reagiert, sondern auch an der Vorhersage beteiligt ist, was bedeutende Implikationen für das Verständnis der Art und Weise hat, wie das Gehirn sensorische Informationen verarbeitet. Diese Entdeckung hat nicht nur weitreichende Auswirkungen auf das Gebiet der Neurowissenschaften, sondern könnte auch zukünftige Anwendungen in der künstlichen Intelligenz und im maschinellen Lernen inspirieren, insbesondere im Hinblick auf die Simulation menschlicher Wahrnehmungsprozesse.