Wie kann das Gehirn flexibel mit komplexen Informationen umgehen?

Menschliche Entscheidungsfindung basiert auf der flexiblen Verarbeitung komplexer Informationen. Wie das Gehirn die Verarbeitung komplexer Reize an momentane Aufgabenanforderungen anpasst, war bisher allerdings unklar. In einem neuen Artikel in der Fachzeitschrift Nature Communications zeigen Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Bildungsforschung, dass neuronale Netzwerke sich schnell und flexibel von einem rhythmischen Zustand in einen Zustand des Rauschens verschieben, sobald die Welt um uns herum komplexere Anforderungen offenbart.

Um in der Lage zu sein, ein Auto zu fahren, verschiedene Finanzpläne gegeneinander abzuwägen oder sogar zwischen unterschiedlichen Lebenswegen zu entscheiden, müssen wir riesige Informationsmengen bewältigen. Die Anforderungen an unser Gehirn sind dabei von Situation zu Situation sehr unterschiedlich. So gibt es Situationen, in denen Entscheidungen dadurch erleichtert werden, dass wir bereits wissen, welche Informationsquellen relevant sind und selektiv beachtet werden sollten. Im Gegenzug gibt es Situationen, die Unsicherheit mit sich bringen und eine umfassendere Verarbeitung der komplexen Umweltinformation erfordern.

Welche Mechanismen dafür verantwortlich sind, dass unser Gehirn die Informationsverarbeitung flexibel an die jeweilige Situation anpassen kann, war bisher unklar. Um dieser Frage nachzugehen, entwickelten Forscher der Lifespan Neural Dynamics Group (LNDG) am Max-Planck-Institut für Bildungsforschung und des Max Planck UCL Centre for Computational Psychiatry and Ageing Research eine visuelle Aufgabe.

Die Studienteilnehmer*innen wurden gebeten, auf eine sich bewegende Wolke aus kleinen Quadraten zu achten, die sich in vier visuellen Eigenschaften unterschieden: Farbe, Größe, Helligkeit und Bewegungsrichtung. Im Anschluss sollten sie eine Frage über eine der vier Eigenschaften beantworten. Zum Beispiel: Bewegten sich mehr Quadrate nach links oder nach rechts? Bevor die Quadrate zu sehen waren, manipulierten die Forscher die Unsicherheit, indem sie die Teilnehmer*innen darüber informierten, über welche Eigenschaft(en) sie befragt werden könnten. Je mehr Eigenschaften für relevant erklärt wurden, desto unsicherer sollten die Teilnehmer*innen werden, auf welche Eigenschaften sie sich konzentrieren sollten. Während der gesamten Aufgabe wurde die Gehirnaktivität mittels Elektroenzephalographie (EEG) und funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) gemessen.

Zunächst stellten die Autoren fest, dass die EEG-Signale der Teilnehmer*innen von einem rhythmischen Modus in einen arrhythmischeren Zustand des neuronalen Rauschens wechselten, wenn die Unsicherheit über die zukünftig relevante Eigenschaft anstieg. „Neuronale Rhythmen können besonders nützlich sein, wenn wir relevante aus irrelevanten Informationen auswählen müssen. Im Gegensatz dazu könnte ein erhöhtes neuronales ‘Rauschen‘ unser Gehirn für verschiedenartige Informationsquellen empfänglich stimmen. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Fähigkeit, dynamisch von einem rhythmischen in einen Rauschmodus zu wechseln, eine flexible Informationsverarbeitung im menschlichen Gehirn unterstützt", sagt Julian Q. Kosciessa, LNDG Postdoc und Erstautor des Artikels.

Darüber hinaus fanden die Forscher auch heraus, dass der Grad des Wechsels von einem rhythmischen Modus in einen Zustand des Rauschens in den EEG-Signalen der einzelnen Teilnehmer*innen stark mit einem Anstieg der fMRT-Aktivität im Thalamus einherging. Der Thalamus ist eine tiefe Hirnstruktur, die über die alleinige Messung der EEG-Aktivität weitgehend unzugänglich ist und hauptsächlich als neuronale Schnittstelle für sensorische und motorische Signale angesehen wird.

Die Ergebnisse der Studie können daher weitreichende Auswirkungen auf unser aktuelles Verständnis darüber haben, welche Gehirnstrukturen es uns erlauben, unser Verhalten flexibel an eine sich ständig verändernde Umwelt anzupassen. „Wenn wir darüber nachdenken, wie das Gehirn Flexibilität im Verhalten ermöglicht, konzentrieren wir uns oft primär auf Netzwerke im Kortex, während der Thalamus traditionell als passive Schaltstelle für externe Informationen betrachtet wird. Unsere Ergebnisse zeigen stattdessen, dass der Thalamus dynamische neuronale Signalverarbeitung im Allgemeinen fördern und Hirnzustände situationsgerecht anpassen könnte, damit wir bessere Entscheidungen treffen können", so Douglas Garrett, Senior-Autor der Studie und LNDG-Gruppenleiter.

In ihrer zukünftigen Forschung wollen die Autoren die neurochemischen Grundlagen für die Verschiebung der neuronalen Dynamik untersuchen sowie erforschen, ob diese Verschiebung durch Reizung des Thalamus mittels minimaler elektrischer Ströme justiert werden kann.

Originalpublikation

Kosciessa, J. Q., Lindenberger, U., & Garrett, D. D. (2021). Thalamocortical excitability adjustments guide human perception under uncertainty. Nature Communications, 12:2430. https://doi.org/10.1038/s41467-021-22511-7