Wie unser Gehirn Feedback verarbeitet

Wenn wir einen Ball fangen wollen, muss unser Gehirn in Sekundenbruchteilen die aktuelle Bahn und Geschwindigkeit des Balls verarbeiten und gleichzeitig mit den Ereignissen vergleichen, wie wir den Ball bei den ersten Versuchen bekommen oder verfehlt haben. Jede zusätzliche Anstrengung hilft uns, unsere Reaktionen beim nächsten Mal besser anzupassen. Forscher haben nun gezeigt, dass der Hippocampus eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung der dafür notwendigen Handlungen spielt. Dieser Teil des Gehirns ist enger mit der Bildung von Langzeitgedächtnissen verbunden.

Unser Gehirn löst täglich komplexe Aufgaben, bei denen es darum geht, den richtigen Zeitpunkt zu finden. Ein einfaches Beispiel ist ein Ballspiel: Wirft uns jemand einen Ball zu, bestimmt unser Gehirn im Bruchteil einer Sekunde, mit welcher Geschwindigkeit und Richtung der Ball fliegt und wo und wann wir ihn am besten fangen. Bei wiederholten Versuchen enthält es auch Informationen aus früheren Versuchen, um die Antwort genauer zu machen.

Spezielles Fangspiel bei MRT

„Jedes Ergebnis unterscheidet sich geringfügig vom vorherigen“, sagte Ignatius Polti von der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie in Trondheim. „Manche Bälle kommen früher, andere später. Während der Spiele lernt das Gehirn die Verteilung der Ankunftszeiten und verwendet diese Informationen, um Erwartungen für zukünftige Ergebnisse zu wecken. Kombinieren wir dieses Vorwissen mit konkreten Informationen über aktuelle Trümmer, können wir das Timing unserer Einfangbemühungen verbessern.“ Mit seinem Team untersuchte er, wie unser Gehirn das macht und welche Teile des Gehirns an der Produktion beteiligt sind.

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Um zu beobachten, wie das Gehirn aktuelle Informationen mit früheren Informationen korreliert, ließen Polti und sein Team 34 Probanden im MRT ein Fangspiel spielen. Ein Auge 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 dachten, dass der Punkt den Rand des Kreises erreichen sollte. Nach Abschluss erhielt jeder von ihnen Feedback zur Genauigkeit seiner Vermutung. „Uns interessierte genau, wie die Teilnehmer bei dieser Aufgabe die Verteilung der Zeit lernten und wie sie ihre Überzeugungen über diese Verteilung im Laufe der Zeit aktualisierten“, sagte der Kollege Polti Matthias Nau. „Dieser Erneuerungsprozess ist sehr wichtig, weil er es uns ermöglicht, uns flexibel an die sich ändernden Verhaltensbedürfnisse in unserem Umfeld anzupassen.“

Position zum Durchschnitt

Insgesamt waren die Schätzungen der Teilnehmer meist nahe an der Realität. Sie schnitten am besten ab, wenn sich der Bildschirm mit mäßiger Geschwindigkeit bewegte. Wenn er sich schnell oder langsam bewegte, zeigten die Probanden eine Zunahme des kurz- und langfristigen Wettbewerbs. “Mit anderen Worten, ihre Raten tendierten zum Durchschnitt aller Proben”, sagte Polti. „Wir glauben, dass diese Situation die Vertrautheit der Teilnehmer mit den vielen Intervallen widerspiegelt, die es im Spiel gibt, und ein sehr wichtiges Beispiel dafür ist, mit Ungewissheit umzugehen – wenn man sich nicht sicher ist, das aktuelle Modell vielleicht den Durchschnitt aller anderen auszuprobieren.“ um eine gute Vermutung anzustellen.”

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Aktivität im Hippocampus

Daher musste das Gehirn der Probanden die Verteilung der Zeitintervalle genau einschätzen und in die Entscheidung einbeziehen. Anhand von MRT-Bildern überprüfte Poltis Team, wie sich das in der Gehirnaktivität widerspiegelt. „Wir haben Hinweise auf lernbedingte Veränderungen im Gehirn gefunden, vor allem in Regionen, die oft im Zusammenhang mit Belohnungsverarbeitung und Gedächtnis untersucht werden“, sagt Poltis Kollege Christian Doeller.

Am bemerkenswertesten war die Aktivität im Hippocampus. „Der Hippocampus wird nicht oft als Ort angesehen, der sensomotorische Funktionen steuert, und seine Beiträge zum Denken werden oft über lange Zeiträume (Stunden, Tage, Wochen) diskutiert“, sagten die Forscher. “In dieser Studie fanden wir jedoch eine Beziehung zwischen Hippocampus-Aktivität und Echtzeit-Verhaltensleistung bei einer Geschwindigkeitsaufgabe, von der oft angenommen wird, dass sie unabhängig vom Hippocampus ist.”

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Statistische Informationen und adaptives Verhalten

Die Forscher fanden heraus, dass die Aktivität des Hippocampus aus den Informationen vorhergesagt werden kann, die die Teilnehmer im ersten Test erhalten. Die Aktivität erreichte ihren Höhepunkt, als die Benutzer Rückmeldung erhielten, dass sie eine korrekte Schätzung vorgenommen hatten. Als sie die Rückmeldung erhielten, dass sie daneben lagen, war die Hippocampus-Aktivität am niedrigsten. Darüber hinaus spiegelte die Aktivität im Hippocampus das Verhalten wider, das kurzfristig zunimmt und langfristig abnimmt.

Es zeigt, dass die Teilnehmer ihr Verständnis der Verteilung von Zeitintervallen verfeinert und aktualisiert haben, als sie die Informationen erhielten, und der Hippocampus ist in diesem Prozess sehr wichtig. „Wir glauben, dass die von uns entdeckten neuronalen Mechanismen über das formale Lernen hinausgehen und weitgehend dem adaptiven Verhalten zugrunde liegen. Stattdessen könnten sie die Art und Weise widerspiegeln, wie wir durch Wahrnehmung lernen, allgemeine Verbesserungen und wie das Gehirn Überzeugungen in Echtzeit aufbaut und aktualisiert“, sagte Matthias Nau .

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

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