In Ruhephasen rekapituliert das Gehirn Entscheidungen

Neu entwickelte Methode ermöglicht ein tieferes Verständnis von Entscheidungsprozessen

5. Juli 2019

Wie wir die Welt um uns herum wahrnehmen, wird davon beeinflusst, welche Entscheidungen wir gerade treffen. Das spiegelt sich wiederum in messbaren Aktivitätsmustern im Gehirn wider. Ein Forschungsteam vom Max-Planck-Institut für Bildungsforschung und von der Princeton University haben nun herausgefunden, dass während des Ausruhens der menschliche Hippocampus dieselben Aktivitätsmuster wieder abspielt, und dies möglicherweise sogar in einem stark erhöhten Tempo. Eine neu entwickelten Methode, die Magnetresonanztomografie mit maschinellem Lernen kombiniert, ermöglicht es, diesen Prozess im Gehirn bei Menschen jetzt genau nachzuverfolgen.

Ein Proband mit angelegten Messelektroden auf dem Weg in den Magnetresonanztomographen. Um bei Testpersonen auch schnelle Gehirnaktivitäten messen zu können, hat ein Forschungsteam aus Berlin und Princeton einen Algorithmus für das Erkennen von Mustern programmiert. Damit fanden sie heraus, dass das Gehirn eines Menschen, der gerade eine Entscheidung getroffen hat, in einer darauffolgenden Ruhepause die gleichen Aktivitätemuster wie bei der Entscheidungsfindung wiederholt.

Bei jeder Erfahrung, die wir machen, und jeder Entscheidung, die wir treffen, arbeiten unterschiedliche Bereiche des Gehirns zusammen. Diese für jede Situation spezifische Gehirnaktivität erzeugt messbare neuronale Muster. Wenn wir uns an erlebte Erfahrungen oder getroffene Entscheidungen erinnern, werden die gleichen Gehirnbereiche aktiv und die gleichen Muster sind messbar. Dass der Hippocampus, ein Bereich im inneren Rand der Großhirnrinde, bei Lern- und Gedächtnisvorgängen eine zentrale Rolle spielt, ist bereits bekannt. Was genau im Hippocampus passiert, nachdem wir komplexe Entscheidungen getroffen haben, konnten Nicolas Schuck, Leiter der Forschungsgruppe NeuroCode am Max-Planck-Institut für Bildungsforschung, und Yael Niv, Professorin für Neurowissenschaften an der Princeton University, jetzt bei Menschen beobachten.

Für ihre Studie ließen sie 33 Testpersonen in mehreren 40-minütigen Blöcken eine komplexe Entscheidungsaufgabe bearbeiten, während sie im Magnetresonanztomografen (MRT) lagen. Dabei zeichnete das Forschungsteam die Hirnaktivität der Teilnehmenden auf und analysierten anschließend Signale im vorderen, stirnseitigen Teil des Gehirns, dem orbitofrontalen Cortex, als auch im Hippocampus. Wie das Team in früheren Experimenten bereits gezeigt hatte, bildet sich der mentale Entscheidungsprozess im orbitofrontalen Cortex ab. So entsteht für jede Art von Entscheidung ein spezifisches neuronales Aktivitätsmuster.

Wiederholung im Zeitraffer

In dem Test sollten sich die Teilnehmenden nach jedem Aufgabenblock für fünf Minuten ausruhen und ruhig im MRT liegen bleiben. So ließ sich herausfinden, was genau in dieser Ruhephase nach dem Bearbeiten der komplexen Entscheidungsaufgaben im Gehirn passiert. Die wissenschaftlichen Beobachtungen zeigen, dass der Hippocampus die für die vorherige Entscheidungsaufgabe typischen Aktivitätsmuster wiederholte.

„Während die Teilnehmenden in den Pausen zwischen den Aufgaben ruhig dalagen, spielte der Hippocampus die soeben erledigte Entscheidungsaufgabe erneut ab“, erzählt Nicolas Schuck, Leiter der Forschungsgruppe NeuroCode am Max-Planck-Institut für Bildungsforschung. „Dabei konnten wir die Reihenfolge der zuvor stattgefundenen Erlebnisse beobachten. Unsere Ergebnisse lassen vermuten, dass diese Wiederholung im Gehirn beschleunigt – quasi im Zeitraffer – geschieht. Das könnte ein Hinweis dafür sein, dass Ruhephasen eine Rolle beim Erlernen neuer Aufgaben spielen.“

Algorithmus ermöglicht Messung schneller Gehirnaktivitäten

Bisher fehlte der Forschung eine nichtinvasive Methode, um diesen Prozess beim Menschen genau nachverfolgen zu können. Da das MRT nicht die einzelnen elektrischen Impulse im Gehirn misst, sondern nur den Blutfluss, welcher erst langsam nach einem Impuls ansteigt, ging man bislang davon aus, dass schnelle neuronale Aktivitäten nicht messbar seien. Daher konnten die schnellen neuronalen Wiederholungen im Hippocampus nur bei Nagetieren nachverfolgt werden, in deren Gehirn Sensoren implantiert waren.

Dass dieses Phänomen nun auch mit einem MRT beobachtet werden kann, ermöglicht ein Algorithmus, der für das Erkennen von Mustern programmiert wurde. Das Forschungsteam trainierte den Algorithmus zuerst darauf, Aktivitätsmuster im Hippocampus zu erkennen, die sonst für das Auge oder herkömmliche Programme unsichtbar bleiben. Anschließend zeichnete es die Aktivitätsmuster während des Ausruhens auf und analysierte, in welcher Reihenfolge der Algorithmus sie wiedererkannte.

„Die Fähigkeit des Hippocampus, Erfahrungen im Zeitraffer durchzuspielen, scheint eine zentrale Rolle dabei zu spielen, dass aus Erfahrungen Repräsentationen im Gehirn werden, die uns wiederum dabei helfen, Entscheidungen zu treffen“, sagt Yael Niv, Professorin für Neurowissenschaften an der Princeton University. Mit der neuen Methode ließe sich zukünftig genauer verstehen, welche Bedeutung dieser Prozess für bewusstes Planen und den Gedächtnisabruf hat. „Das wird uns hoffentlich helfen zu erforschen, was dieser Prozess mit unseren subjektiven Erfahrungen zu tun hat“, sagt Nicolas Schuck.

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