Zum Inhalt springen

Das menschliche Gehirn als Vorhersagemaschine

    Vorbemerkung: In den Neurowissenschaften hält etwas verspätet – die Psychologie ist hier schon einige Generationen früher zu vergleichbaren Annahmen gekommen – eine neue Theorie Einzug. Diese Theorie wird zunehmend zur Interpretation und Steuerung experimenteller und theoretischer Studien herangezogen und findet ihren Weg in viele andere Bereiche der Geistesforschung. Es handelt sich um die Theorie, dass das Gehirn ein hochentwickelter Mechanismus zur Überprüfung von Hypothesen ist, der ständig damit beschäftigt ist, den Fehler seiner Vorhersagen über den sensorischen Input, den er von der Welt erhält, zu minimieren. Dieser Mechanismus soll Wahrnehmen und Handeln und alles Geistige dazwischen erklären. Es ist eine attraktive Theorie, weil sie durch starke theoretische Argumente gestützt wird. Sie ist auch deshalb attraktiv, weil immer mehr empirische Beweise für sie sprechen. Sie hat eine enorme vereinheitlichende Kraft und kann doch auch im Detail erklären, wie man sich Wahrnehmung, Handlung, Aufmerksamkeit und andere zentrale Aspekte des Geistes vorstellen sollte.

    Angesichts der Bedeutung, die Vorhersagen für das tägliche Leben haben, könnten Beeinträchtigungen der Art und Weise, wie Erwartungen an die sensorischen Bahnen übermittelt werden, tiefgreifende Auswirkungen auf die Kognition haben. Lese-Rechtschreib-Schwäche, die am weitesten verbreitete Lernstörung, wurde bereits mit veränderter Verarbeitung in der Hörbahn und mit Schwierigkeiten in der auditorischen Wahrnehmung in Verbindung gebracht. Tabas et al. (2020) haben auch gezeigt, warum Menschen mit Lese-Rechtschreibschwäche Schwierigkeiten bei der Wahrnehmung von Sprache haben. Man maß dabei mittels funktioneller Magnetresonanztomographie die Gehirnreaktionen von Probanden, während diese Tonfolgen hörten. Diese wurden angewiesen, herauszufinden, welcher der Klänge in der Reihenfolge von den anderen abweicht. Die Erwartungen der Probanden wurden so verändert, dass sie den abweichenden Ton an bestimmten Stellen der Sequenz erwarten würden. Man konzentrierte sich dabei auf die Reaktionen, die die abweichenden Geräusche in zwei wichtigen Kernen der Hörbahn, die für die auditorische Verarbeitung verantwortlich sind, auslösten: dem colliculus inferior und dem medialen corpus geniculatum mediale. Obwohl die Teilnehmenden die abweichenden Töne schneller erkannten, wenn sie an Positionen platziert wurden, an denen sie diese erwarteten, verarbeiteten die Kerne der Hörbahn die Töne nur, wenn sie an unerwarteten Positionen platziert wurden. Diese Ergebnisse passen in eine allgemeine Theorie der sensorischen Verarbeitung, die die Wahrnehmung als einen Prozess der Hypothesenprüfung beschreibt, nämlich als prädiktive Kodierung, die davon ausgeht, dass das Gehirn ständig Vorhersagen darüber generiert, wie die physische Welt im nächsten Moment aussehen, klingen, sich anfühlen und riechen wird, und dass die Neuronen, die für die Verarbeitung der Sinne zuständig sind, Ressourcen sparen, indem sie nur die Unterschiede zwischen diesen Vorhersagen und der tatsächlichen physischen Welt darstellen. Offenbar haben die Überzeugungen einen entscheidenden Einfluss darauf, wie Menschen die Realität wahrnehmen, also diese Überzeugungen mit sensorischen Informationen abgleichen, wobei dieser Prozess auch in den einfachsten und evolutionär ältesten Teilen des Gehirns vorherrscht, sodass alles, was Menschen wahrnehmen, durch die subjektiven Überzeugungen über die Welt geprägt sind.

    Eine wichtige Rolle bei der Vorhersage von Verhaltensweisen dürfte vermutlich die Amygdala spielen. Die Amygdala ist nach Forschungen an Mäusen nämlich auch eine Vorhersagemaschine für Verhaltensweisen, d. h., die Amygdala macht Vorhersagen in der Weise, dass wenn man X macht, wird man Y bekommen, und passt diese Vorhersagen entsprechend von auftretenden Veränderungen der Situation an. Es gibt keine andere Gehirnstruktur, die so präzise vorhersagen kann, was passieren wird. Jeden Tag führen Menschen Hunderte von Handlungen mit bestimmten Erwartungen aus, und wenn diese Erwartungen nicht erfüllt werden, passen sie ihr Verhalten an, tun etwas anders, oder verfolgen eine Handlung seltener oder öfter. Diese Fähigkeit, das Verhalten auf der Grundlage von Vorhersagen anzupassen, ist für Menschen von grundlegender Bedeutung, allerdings sind manchmal diese Prozesse beeinträchtigt, etwa bei Sucht, bei Depressionen, bei Zwangsstörungen oder Parkinson (Courtin et al., 2022).

    Grabenhorst et al. (2019) haben in Verhaltensexperimenten gezeigt, dass das Gehirn in den drei verschiedenen Sinnesmodalitäten Sehen, Hören und Somatosensorik nicht auf Basis der Hazard Rate Vorhersagen trifft, sondern eine viel einfachere Berechnung verwendet, denn es schätzt lediglich den Kehrwert der Wahrscheinlichkeit des Ereignisses. Die enge Beziehung zwischen der reziproken Wahrscheinlichkeit und dem Shannon-Informationsgehalt (Surprisal) deutet darauf hin, dass das Gehirn Wahrscheinlichkeiten tatsächlich als Information abbildet, d. h., die Wahrscheinlichkeit selbst ist jener grundlegende Parameter, den das Gehirn verwendet. Der Informationsgehalt bzw. Überraschungswert einer Information ist dabei eine logarithmische Größe, die angibt, wie viel Information in einer Nachricht übertragen wurde. Bei diesen Untersuchungen zeigte sich auch eine neue Perspektive bei der Schätzung der verstrichenen Zeit, denn bisherige Forschungen haben gezeigt, dass die Unsicherheit der Schätzung des Gehirns umso größer ist, je länger die verstrichene Zeit ist. Doch dieses Prinzip der monoton steigenden Unsicherheit mit der verstrichenen Zeit gilt nicht immer, sondern es ist tatsächlich die Wahrscheinlichkeitsverteilung von Ereignissen über den Zeitraum, die bestimmt, wann die Unsicherheit am geringsten oder am größten ist.

    Literatur

    Courtin ,J., Bitterman, Y., Müller, S., Hinz, J., Hagihara, K. M., Müller, C. & Lüthi, A. (2022). A neuronal mechanism for motivational control of behavior. Science, 375, doi:10.1126/science.abg7277.Grabenhorst, M., Michalareas, G., Maloney, L. T. & Poeppel, D. (2019). The anticipation of events in time. Nature Communications, 10, doi:10.1038/s41467-019-13849-0.
    Tabas, Alejandro, Mihai, Glad, Kiebel, Stefan, Trampel, Robert, von Kriegstein, Katharina, Shinn-Cunningham, Barbara, Griffiths, Timothy & Malmierca, Manuel (2020). Abstract rules drive adaptation in the subcortical sensory pathway. eLife, doi:10.7554/eLife.64501.
    https://notiert.stangl-taller.at/grundlagenforschung/wie-sagt-das-menschliche-gehirn-ereignisse-voraus/ (21-10-19)