Fehler entstehen im Kopf

Wissenschaftler zeigen, dass fehlerhaftem Verhalten bei monotonen Aufgaben spezifische Veränderungen der Hirnaktivität vorausgehen

22. April 2008

Menschliche Fehler sind nicht nur durch augenblickliche Veränderungen der Konzentration oder Hirnaktivität erklärbar, sondern basieren auch auf graduellen Fehlanpassungen. Das ist das Ergebnis einer neuen Studie von Markus Ullsperger, Nachwuchsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für neurologische Forschung in Köln, und seinen Kollegen von der Universität Bergen, Norwegen, aus Southampton, Hamburg und Leipzig. Mithilfe der funktionellen Magnetresonanztomografie (fMRT) bildeten die Wissenschaftler die Hirnaktivität von Versuchspersonen ab, die eine entsprechende Kognitionsaufgabe bearbeiten mussten. Die Forscher fanden Hirnregionen, deren Aktivität bis zu 30 Sekunden vor einem Fehler systematisch verändert war. (Proceedings of the National Academy of Sciences, 22. April 2008)

fMRT-Darstellung der Hirnaktivität, die Fehlern vorausgeht: Hirnregionen, deren Aktivität vor Fehlern graduell abfällt (oben) bzw. ansteigt (unten).

Monotone Tätigkeiten liegen uns Menschen nicht besonders - hier erweisen wir uns als deutlich fehleranfälliger als Maschinen. Offenbar ist das Auftreten von Fehlern jedoch nicht nur durch augenblickliche Veränderungen der Konzentration oder Hirnaktivität erklärbar, sondern basiert auf graduellen Fehlanpassungen. Mithilfe der funktionellen Magnetresonanztomografie (fMRT) haben Wissenschaftler um Markus Ullsperger vom Max-Planck-Institut für neurologische Forschung in Köln die Hirnaktivität von Versuchspersonen abgebildet, während diese entsprechende kognitive Experimente durchführten. Die Wissenschaftler präsentierten den Probanden in der Mitte eines Bildschirms sehr kurz, nämlich nur 30 Millisekunden lang, jeweils einen in eine bestimmte Richtung weisenden Pfeil. Die Versuchsperson sollte so schnell wie möglich die rechte oder linke Antworttaste drücken - je nach Richtung des gezeigten Pfeils.

Diese Aufgabe erscheint zunächst leicht. Tatsächlich erfordert sie aber allerhöchste Konzentration, denn ober- und unterhalb des zu betrachtenden Pfeils wurden ebenfalls Pfeile dargeboten - sie flankieren den Pfeil in der Mitte, weshalb die Wissenschaftler auch von einer "Flankierreizaufgabe" sprechen. Diese Flankierreize sind für die Aufgabe irrelevant, lenken die Versuchsperson aber stark ab. Zeigen die Flankierreize in dieselbe Richtung wie der mittlere Zielreiz, dann unterstützen sie die richtige Reaktion, zeigen sie jedoch in die entgegengesetzte Richtung, so stören sie massiv und führen immer wieder zu Fehlern.

"Um diese Aufgabe gut zu bearbeiten, muss man sich also besonders auf die Mitte konzentrieren und die äußeren Pfeile ignorieren", sagt Markus Ullsperger. "Das ist auf Dauer anstrengend. Hinzu kommt, dass in 50 Prozent der Durchgänge die Flankierreize in die richtige Richtung zeigen, was das Gehirn immer wieder dazu verleitet, die Bearbeitung der Aufgabe vereinfachen zu wollen: Es leitet die Aufmerksamkeit des Probanden daher auf die viel deutlicher erkennbaren Pfeile (sie erscheinen etwas früher als der Zielreiz). Das führt dazu, dass der Proband im Schnitt zwar schneller wird, aber eben auch viel fehleranfälliger", so der Kognitionsforscher.

Bis zu sechs Versuchsdurchgänge vor einem fehlerhaften Durchgang schauten sich die Wissenschaftler an und suchten nach Veränderungen in der Hirnaktivität. Das Ergebnis: Regionen, die bei Ruhe aktiviert werden, zeigten einen graduellen Aktivitätsanstieg, während Netzwerke, die der Aufgabenbearbeitung dienen, graduell weniger Aktivität entwickelten. Die Aktivitätsmuster verschoben sich langsam. "Unsere Interpretation ist, dass sich die Aktivität von einem sehr aufmerksamen, auf genaue Bearbeitung zugeschnittenen Modus hin zu einem eher schnellen, aber weniger konzentrierten Bearbeiten verschiebt", erklärt Ullsperger.

Das ist zunächst eine Anpassung, die zu einer Ökonomisierung der Aufgabenbearbeitung führen kann. Wenn derartige Anpassungsprozesse jedoch über das Ziel hinausschießen, dann werden sie "maladaptiv", d.h. sie entwickeln sich langsam in Fehlanpassungen. "In der Aufgabe muss man ständig ein Gleichgewicht zwischen Genauigkeit und Geschwindigkeit erreichen", sagt Ullsperger. "Dieses Dilemma kann nicht dauerhaft optimal gelöst werden. Bei längerer Bearbeitung lässt die "Konzentration" langsam nach und damit steigt die Fehlerwahrscheinlichkeit an." Unterläuft der Versuchsperson ein Fehler, so wird dieser vom Handlungsüberwachungssystem des Gehirns aufgedeckt, und entsprechende Anpassungen des Verhaltens werden initiiert. Die Daten zeigen, dass dadurch der Ausgangszustand der Hirnaktivität, der vermutlich mit einer besonders konzentrierten Aufgabenbearbeitung verbunden ist, wieder hergestellt wird.

Diese Ergebnisse könnten in der Zukunft helfen, die Sicherheit durch Vorhersage von Fehlern zu erhöhen. Sollen wir uns jetzt Fließbandarbeiter vorstellen ausgestattet mit einer EEG-Haube, die ihre Gehirnströme überwacht? "Vielleicht könnte man so etwas in der Zukunft bauen", so Ullsperger. "Sinnvoll wäre so etwas aber sicher nur bei wirklich monotonen, stark beanspruchenden Tätigkeiten mit hoher Verantwortung." Doch bis dahin muss noch einiges an Grundlagenforschung geleistet werden. So wurden noch keine EEG-Korrelate einer fehleranfälligen Hirnaktivität entdeckt und die Hirnaktivität lässt sich auch noch nicht mit ausreichender Trefferrate in "konzentriert" versus "fehleranfällig" klassifizieren. "Es sollte also nicht der Eindruck entstehen, dass wir kurz vor der Entwicklung eines solchen Fehlerwarners stehen", so der Max-Planck-Forscher.

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