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Kein Zutritt für Belangloses!


Gehirn & Geist - epaper ⋅ Ausgabe 3/2020 vom 07.02.2020

AUFMERKSAMKEIT Konstant strömt eine Flut von Sinnesreizen auf unser Gehirn ein. Wie registriert es, welche davon wichtig sind und was es getrost ignorieren kann?


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Bildquelle: Gehirn & Geist, Ausgabe 3/2020

ESKEMAR / GETTY IMAGES / ISTOCK

Auf einen Blick: Hochleistungsfilter im Kopf

1 Permanent nehmen unsere Sinne Reize aus der Umwelt auf. Dennoch wird das Gehirn nicht überflutet, und wir sind in der Lage, uns auf die wesentlichen Informationen zu konzentrieren.

2 Das ermöglicht ein spezieller Mechanismus im Gehirn, der unwichtige Reize herausfiltert, noch bevor die sensorischen Areale in der Hirnrinde sie verarbeiten.

3Der präfrontale Kortex sichtet ...

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... die Relevanz der Reize. Erachtet er sie als unwichtig, schickt er über die Basalganglien ein hemmendes Signal an einen Teil des Thalamus, der den Informationsfluss stoppt.

Wir sind Meister im Fokussieren: Ob auf der Betriebsfeier, in der Kantine oder im Freizeitbad - problemlos blenden wir einen Wirrwarr von Stimmen und anderen Geräuschen aus, um einem Gespräch zu folgen. Wir hören unseren Namen aus einem allgemeinen Gemurmel heraus oder bemerken am dunklen Straßenrand blitzschnell ein auf die Fahrbahn springendes Reh.

Selbst wenn große Mengen an Informationen unsere Sinne überfluten, sind wir in der Lage, uns auf das Wesentliche zu konzentrieren und darauf zu reagieren. Das Gehirn arbeitet dabei wie ein Suchscheinwerfer. Es beleuchtet nur die relevanten Informationen, der Rest entgeht unserer Aufmerksamkeit.

Schon länger interessieren sich Neurowissenschaftler dafür, wie unser Denkorgan diese Filterleistung vollbringt. Lange Zeit konzentrierten sie sich auf die Arbeit der Hirnrinde - des Kortex. Eine gesteigerte neuronale Aktivität in den Sinneszentren solle speziell die Wahrnehmung der jeweils gerade interessanten Dinge verbessern, so die landläufige Vorstellung.

Inzwischen ist ein anderer Ansatz in den Fokus der Forscher geraten: Kann es sein, dass das Gehirn gar nicht die relevanten Sinnesreize verstärkt, sondern stattdessen die irrelevanten unterdrückt? Bereits 1984 mutmaßte der Physiker und Molekularbiologe Francis Crick, der für die Mitentdeckung der DNA-Struktur bekannt wurde, dass unser »Suchscheinwerfer« vom Thalamus gesteuert wird, einem tief im Gehirn liegenden Kerngebiet. Teile davon empfangen Signale von den Sinneszentren und leiten sie an den Kortex weiter. Cricks Theorie zufolge dient der sensorische Thalamus nicht nur als Durchgangs-, sondern auch als Filter station, die einen Teil der Daten heraussiebt, um die Aufmerksamkeit zu fokussieren.

Die Suche nach einem entsprechenden physiologischen Mechanismus blieb jedoch jahrzehntelang erfolglos - nicht zuletzt deshalb, weil es enorm schwierig ist, etwas so schwer Fassbares wie Aufmerksamkeit an Versuchstieren zu untersuchen. Der Neurowissenschaftler Michael Halassa vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge wollte das so nicht hinnehmen. Er beschloss, die neuronalen Verschaltungen im Gehirn daraufhin zu begutachten, wie sie sensorische Reize filtern, bevor diese den Kortex erreichen. Vielleicht würde er damit die Mechanismen aufklären können, die Cricks Theorie zu Grunde liegen.

Er richtete sein Augenmerk auf eine dünne Schicht hemmender Neurone, die als Nucleus reticularis bekannt ist. Sie legt sich wie eine Hülle um den übrigen Teil des Thalamus. Schon in seiner Zeit als Postdoc fand er heraus, dass dieser Hirnbereich eine Filterfunktion innehat: In Experimenten ließ der Nucleus reticularis nur dann Sinnesinformationen passieren, wenn das Versuchstier wach und aufmerksam war, nicht aber, wenn es schlief.

Wenn Ton und Bild nicht übereinstimmen
2015 entdeckten Halassa und seine Kollegen eine weitere Form der Auslese. Die Forscher trainierten Mäuse darauf, ihre Bewegungsrichtung als Reaktion auf Blinklichter und Töne zu ändern. Anschließend präsentierten sie den Tieren widersprüchliche Befehle - der Ton bedeutete ihnen beispielsweise, sich nach rechts zu wenden, während die Blinklichter sie gleichzeitig nach links verwiesen. Sie gaben ihnen zudem Hinweise, auf welches Signal sie achten sollten.

An der Reaktion der Mäuse konnten die Forscher ablesen, wie gut die Nager ihre Aufmerksamkeit fokussierten. Während der Aufgabe schalteten die Neurowissenschaftler unterschiedliche Hirnareale mit Hilfe eines experimentellen Tricks gezielt an oder aus, um zu testen, wie relevant sie für die Leistung der Tiere sind.

Wie zu erwarten, war der präfrontale Kortex, der komplexe Befehle an andere Teile des Gehirns sendet, für die Aufgabe unverzichtbar. Doch das war nicht alles: Setzten die Forscher die Nervenzellen im visuellen Teil des Nucleus reticularis in Betrieb, fiel es den Mäusen schwerer, auf die optischen Signale zu achten. Legten sie diese Neurone dagegen still, konnten sich die Tiere schlechter auf die Töne konzentrieren.

Wie sich das Gehirn vor Reizüberflutung schützt

Ungefilterte Verarbeitung

Würden alle Sinnesinformationen ungefiltert über den Thalamus in höhere verarbeitende Kortexareale geleitet, wären wir schnell von der Masse der Reize überfordert.

Eingebauter Informationsfilter

Damit das nicht passiert, fängt ein Mechanismus alle unwichtigen Reize ab, noch bevor sie die höheren sensorischen Areale in der Hirnrinde erreichen. Wollen wir uns beispielsweise auf ein bestimmtes Geräusch konzentrieren und gleichzeitig irrelevante Sehreize ausblenden, schickt der präfrontale Kortex ein Signal an die Basalganglien. Diese regen den Nucleus reticularis dazu an, den visuellen Teil des Thalamus zu hemmen. So treten ausschließlich die Hörreize in den Fokus der Aufmerksamkeit.

Offenbar hat das Hirnareal eine hemmende Funktion. Es unterdrückt Informationen, die der präfrontale Kortex für störend befindet. Erfordert es die Aufgabe beispielsweise, nur die Töne zu beachten und die Blinklichter zu ignorieren, gibt der präfrontale Kortex dem visuellen Teil des Nucleus reticularis den Befehl, seine Aktivität zu erhöhen und so irrelevante Sehreize herauszufiltern. Der »Suchscheinwerfer« im Gehirn erhellt demnach nicht die Reize von Interesse, sondern verdunkelt alle anderen.

Trotz des Erfolgs der Studie erkannten die Forscher ein Problem: Zwar hatten sie Cricks Vermutung bestätigt, dass der präfrontale Kortex eine Art Filter für sensorische Informationen im Thalamus steuert. Doch es sah so aus, als gäbe es gar keine direkte neuronale Verbindung zwischen dem Stirnhirn und den verschiedenen sensorischen Teilen des Nucleus reticularis. Ein Teil der Verknüpfung fehlte.

Wenig später, 2019, fanden Halassa und seine Kollegen endlich den fehlenden Abschnitt. Sie hatten untersucht, wie sich die Aktivität verschiedener Hirnregionen gegenseitig beeinflusst und wie sie neuronal miteinander verbunden sind. Dabei stellten die Forscher fest, dass der vollständige Schaltkreis vom präfrontalen Kortex zum Nucleus reticularis einen Umweg über eine viel tiefer im Gehirn liegende Struktur einschlägt: die Basalganglien (siehe »Wie sich das Gehirn vor Reizüberflutung schützt«, oben). Gelangen etwa Informationen vom Auge zum visuellen Bereich des Thalamus, können sie dort umgehend abgefangen werden, wenn sie für die jeweilige Aufgabe nicht relevant sind. Das geschieht, indem die Basalganglien den visuellen Nucleus reticularis aktivieren, der die Fremdreize aussortiert. So gelangen nur noch diejenigen Signale in höhere kortikale Regionen, die aktuell von Belang sind.

Dabei beschränkt sich der Mechanismus nicht darauf, einen Sinneskanal - und damit alle Sehreize - zu blockieren und gleichzeitig einen anderen - alle Hörreize - frei zu geben, wie in dem Beispiel mit den Blinklichtern und Tönen. »Der Hirnfilter arbeitet viel präziser «, sagt Duje Tadin, Neurobiologe an der University of Rochester. Er sortiere auch irrelevante Informationen einer Sinnesmodalität heraus, während er wichtige Signale desselben Kanals durchlasse. Sollen Mäuse etwa nur auf ganz bestimmte Töne achten, unterdrückten sie mit Hilfe ihres Nucleus reticularis Hintergrundgeräusche.

»Ich finde es bemerkenswert, dass das Gehirn bereits zu filtern beginnt, noch bevor die Informationen den visuellen Kortex erreichen«, sagt der Kognitionswissenschaftler Ian Fiebelkorn von der Princeton University. Allerdings ist dieses Vorgehen nicht ganz ohne Risiko: Was, wenn die aussortierten Reize doch wichtiger sind als anfangs angenommen?

Suchscheinwerfer im Blinkmodus
Offenbar hat sich das Gehirn gegen diesen Fall abgesichert, wie Studien von Fiebelkorn nahelegen. Stellen wir uns die Aufmerksamkeit wie einen Scheinwerfer vor, so denken wir in der Regel an einen kontinuierlich leuchtenden Lichtstrahl. »Meine Untersuchungen haben aber gezeigt, dass er stattdessen blinkt«, so Fiebelkorn. Etwa viermal pro Sekunde nimmt die Aufmerksamkeit kurzzeitig ab, vermutlich um zu verhindern, dass wir uns zu sehr auf einen einzelnen Ort oder Reiz in der Umgebung konzentrieren. Dieses kurze Abflauen gibt anderen, zuvor als unwichtig erachteten Signalen die Chance, in den Fokus zu rücken. Das Gehirn hat somit die Möglichkeit, seine Aufmerksamkeit immer wieder auf etwas Neues zu richten. »Es ist periodisch ablenkbar«, sagt der Forscher.

Diese Studien markieren einen wichtigen Wandel: Aufmerksamkeitsprozesse galten lange Zeit als Hoheitsgebiet des Kortex. In den letzten Jahren ist es jedoch immer offensichtlicher geworden, dass auch tief unterhalb der Hirnrinde einiges passiert. Die Basalganglien nehmen hier eine besondere Stellung ein.

Früher nahm man an, die Hauptaufgabe dieser entwicklungsgeschichtlich alten Kerne sei die Bewegungskontrolle. Neuere Studien zeigten dann, wie wichtig das Areal für das belohnungsbasierte Lernen und die Entscheidungsfindung ist. Nun haben Halassa und sein Team schließlich bewiesen, dass die Basalganglien ebenfalls daran beteiligt sind, unbedeutende Sinnesreize herauszufiltern.

»Die sensorischen und motorischen Systeme im Gehirn arbeiten nicht unabhängig voneinander, sie haben sich sogar gemeinsam entwickelt«, erklärt Fiebelkorn. So beeinflussen klassische Bewegungsareale wie die Basalganglien nicht nur den »Output« (unser Verhalten), sondern auch den »Input« (unsere Wahrnehmung).

Ebnen die neuen Erkenntnisse möglicherweise einen weiteren Weg zur Lösung des Rätsels um das menschliche Bewusstsein? Die Kognitionswissenschaftlerin Heleen Slagter von der Freien Universität Amsterdam ist davon überzeugt. Sie möchte in Zukunft herausfinden, wie die Basalganglien zu dieser komplexen kognitiven Leistung beitragen. In einem Punkt ist sie sich jetzt schon sicher: »Bewusstsein und Verhalten sind eng miteinander verbunden.«

Von »Gehirn&Geist« übersetzte und bearbeitete Fassung des Artikels »To Pay Attention, the Brain Uses Filters, Not a Spotlight « aus »Quanta Magazine«, einem inhaltlich unabhängigen Magazin der Simons Foundation, die sich die Verbreitung von Forschungsergebnissen aus Mathematik und den Naturwissenschaften zum Ziel gesetzt hat.

QUELLEN

Crick, F.: Function of the thalamic reticular complex: The searchlight hypothesis. PNAS 81, 1984

Nakajima, M. et al.: Prefrontal cortex regulates sensory filtering through a basal ganglia-to-thalamus pathway. Neuron 103, 2019

Wimmer, R. D. et al.: Thalamic control of sensory selection in divided attention. Nature 526, 2015

Dieser Artikel im Internet: www.spektrum.de/artikel/1698586

UNSERE AUTORIN

Jordana Cepelewicz ist Wissenschaftsjournalistin in New York.

aktivieren, der die Fremdreize aussortiert. So gelangen nur noch diejenigen Signale in höhere kortikale Regionen, die aktuell von Belang sind.


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