Genau hingeschaut

Hirnrhythmen zeigen, was ein Mensch sieht

18. Juli 2019

Haben rhythmische Schwingungen im Gehirn eine Funktion oder nicht? Eine aktuelle Studie, an der auch Forscher des Ernst Strüngmann Institute for Neuroscience (ESI) beteiligt waren, zeigt, wie Gamma-Oszillationen im visuellen System Rückschlüsse darüber zulassen, was ein Mensch sieht. Damit widerlegen die Wissenschaftler frühere Forschungsergebnisse und stützen die Theorie, dass Gamma-Oszillationen eine Funktion bei der Informationsverarbeitung im Gehirn spielen.

Viel zu sehen, viel rhythmische Aktivität – die Struktur eines Bildes ist ein Maß dafür, wie viel dem Auge geboten wird. Der Turm auf dem Campus des Millsaps-College vor grauem Himmel hat deutlich weniger Struktur (Strukturindex 0,03 quantifiziert per DTC Energy measure operator), als das Bild des Mädchens mit der College-Flagge (Strukturindex 0.31).

Rhythmische Schwingungen sind im Gehirn allgegenwärtig und sie verraten einiges darüber, was der Besitzer des Hirns gerade treibt: Schon in einfachen EEG-Messungen lässt sich mit bloßem Auge erkennen, ob jemand gerade schläft, tagträumt oder hochkonzentriert eine Aufgabe löst. Ein allgemein anerkannter Zusammenhang. Unklar ist jedoch, welcher Natur dieser Zusammenhang ist: Sind die oszillierenden Wellen lediglich ein Nebenprodukt neuronaler Aktivität? Oder erfüllen die Rhythmen tatsächlich eine Funktion bei der Informationsverarbeitung im Gehirn?

"Gerade die Oszillationen im Gamma-Band, also zwischen 30 und 80 Hertz, korrelieren so stark mit der Zu- und Abnahme der Aktivität einzelner Neurone – ich kann mir gar nicht vorstellen, dass das keine funktionelle Bedeutung haben soll", meint Nicolas Brunet, Assistenzprofessor am Millsaps College in Jackson, Mississippi und Erst-Autor einer neuen Studie. Diese zeigt erstmals einen Zusammenhang zwischen visueller Wahrnehmung unter natürlichen Bedingungen und Gamma-Aktivität im Gehirn von Menschen. Der grundlegende Gedanke dabei: Wenn Oszillationen eine Funktion in der Wahrnehmung erfüllen, etwa beim Sehen, müssen sie auch immer auftreten, wenn es etwas zu sehen gibt.

Oszillationen: Immer zu sehen, wenn etwas zu sehen ist?

Ob das wirklich so ist, war lange nicht ganz klar - was es im Labor zu sehen gibt, ist nicht gerade repräsentativ für das echte Leben. Menschliche genau wie tierische Probanden betrachten in der Regel Bilder von Schachbrettern oder Streifenmustern, deren Farbe und Kontrast sich genau kontrollieren lässt. Dass diese einfache, künstliche Stimulation zuverlässig mit einer Erhöhung der rhythmischen Aktivität im Gamma-Band einhergeht, haben zahlreiche Studien belegt. Was aber passiert, wenn realistische Motive betrachtet werden? Fotos von Landschaften, Häusern oder Menschen? Eine Frage, der Nicolas Brunet vor ein paar Jahren in einer Studie mit Makaken (einer Affenart) auf den Grund ging, erzählt Pascal Fries, Direktor am ESI: „Ich war erst skeptisch, weil ich erwartete, dass die natürlichen und deshalb eben auch unkontrollierbaren Bedingungen zu unklaren Resultaten führen könnten. Aber unsere Daten sprachen dann eine sehr klare Sprache: Jedes einzelne von 65 natürlichen Bildern erzeugte deutliche Gamma-Oszillationen.“

Umso verwunderter waren die Beiden, als eine Arbeitsgruppe aus Stanford ihre Ergebnisse in einer Studie mit einem menschlichen Probanden nicht bestätigen konnte. Die Versuchsperson hatte aufgrund starker Epilepsie Elektroden implantiert bekommen, die direkt auf dem visuellen Cortex auflagen. Die US-amerikanischen Wissenschaftler zeigten dem Patienten Schwarzweißfotos mit ganz normalen Schnappschuss-Motiven wie Häusern, Autos oder Gesichter. Dabei fanden sie nur für etwa die Hälfte der betrachteten Bilder einen signifikanten Anstieg der Gamma-Band Aktivität. Die Autoren der Studie schlussfolgerten, dass die Oszillationen für Wahrnehmung von Bildern unmöglich von Bedeutung sein könnten.

Ein Schlagabtausch zwischen unterschiedlichen Auffassungen gehört in der Wissenschaft dazu, findet Nicolas Brunet. "Es ist ein bisschen wie Ping Pong. Man spielt sich den Ball so lange zu, bis derjenige, der die besseren empirischen Argumente hat, sich durchsetzt." Bereit den Schläger aus der Hand zu legen, war er noch lange nicht. Gemeinsam mit Pascal Fries untersuchte er die Daten noch einmal selbst.

Aufschlussreicher zweiter Blick

Bei genauem Hinsehen stellten sie fest: Die Stärke der Oszillationen hing davon ab, wieviel Struktur das Bild beinhaltete. Bilder mit wenig Struktur und größeren einheitlichen Grauflächen ergaben schwache Gamma-Antworten; Bilder mit starker Struktur über das gesamte Foto ergaben auch starke Gamma-Antworten. Mithilfe eines Algorithmus, der häufig im Bereich der Computervision eingesetzt wird, gelang es Nicolas Brunet und Pascal Fries die Korrelation zwischen Bildstruktur und rhythmischer Hirnaktivität genau zu quantifizieren. Tatsächlich war der Informationsgehalt im Gamma-Band so groß, dass die Forscher allein anhand des Gamma-Rhythmus mit 70 Prozent Trefferwahrscheinlichkeit sagen konnte, welches von zwei zufällig gezogenen Fotos gezeigt worden war.

Überzeugende Ergebnisse, die allerdings mit einem Wermutstropfen daher kommen. Die Daten stammen von einer einzigen Versuchsperson. Operative Eingriffe werden für Patienten mit Epilepsie nur als letzte aller Lösungen angesehen. Nur wenige werden tatsächlich operiert und nur selten ist es nötig, dass die Elektroden ausgerechnet über den Seharealen des Gehirns platziert werden. Die Aussagekraft der Ergebnisse sollte trotz des Charakters der Fallstudie nicht unterschätzt werden, meint Nicolas Brunet: "Wir haben viele Beobachtungen an Affen gemacht. Menschen und Affen sind sich ähnlich, aber zum Schluss sind Affen eben doch Affen." Die Ergebnisse der Re-analyse legen nahe, dass die Erkenntnisse, die durch Untersuchungen mit Makaken gewonnen wurden, tatsächlich auf den Menschen übertragbar sind. Ob Affe oder Mensch: Je mehr zu sehen ist, desto deutlicher die Schwingungen. Das stützt die These, dass Gamma-Oszillationen nicht nur für künstliche Reize und nicht nur in Tieren, sondern auch beim natürlichen Sehen von Menschen eine wichtige Rolle spielen.

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