Wie entstehen die Schubladen im Kopf – die Kategorien, in die wir unsere Umwelteindrücke und Erfahrungen unwillkürlich einteilen? Eine Antwort auf diese Frage hat jetzt ein Wiener Forscherteam gefunden. Sie stellten fest, dass bestimmte Eigenschaften der Nervennetze in der Hirnrinde für die Kategorisierung essenziell sind. Es könnte sich dabei um ein fundamentales Prinzip höherer Gehirnfunktionen handeln, das etwa auch bei der Verarbeitung von Sprache eine Rolle spielt, wie die Forscher in der Fachzeitschrift „Neuron“ berichten.
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Eine der faszinierenden Leistungen unseres Gehirns ist die Fähigkeit, die Welt in Kategorien wahrzunehmen. Wir erkennen das Gesicht eines bekannten Menschen unabhängig davon, ob wir die Person bei Tag oder bei Nacht treffen, ob mit oder ohne Brille. Ebenso bemerkenswert ist die Erkennung der Sprache: gleiche Silben hören wir als gleich, unabhängig vom Sprecher, von der Lautstärke oder von Umgebungsgeräuschen. Unser Gehirn ermöglicht es uns auf faszinierende Weise, Konstanten in einer niemals exakt gleichen Umwelt wahrzunehmen. Während solche Kategorisierungen beim Menschen automatisch ablaufen und uns nicht einmal bewusst werden, ist es nur sehr schwer möglich, entsprechende Aufgaben mit einem Computer zu lösen.
Viele Zellen – wenige Muster
Wissenschaftler am Wiener Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie (IMP) um den Neurobiologen Simon Rumpel und seinen Postdoktoranden Brice Bathellier konnten nun an Nervenzell-Netzwerken in der Großhirnrinde bestimmte Eigenschaften nachweisen, die allem Anschein nach für die Bildung von Kategorien verantwortlich sind. In Versuchen mit Mäusen ließen die Forscher unterschiedliche Töne und Geräusche erklingen und zeichneten dabei die Aktivitätsmuster von Nervenzell-Gruppen in der Hörrinde des Gehirns auf. Sie stellten fest, dass Ensembles von etwa 50 bis 100 miteinander verschalteten Zellen trotz vielfältigster Klänge nur sehr wenige, diskrete Muster erzeugen. Das bedeutet, dass unterschiedliche Geräusche in einem Aktivitätsmuster zusammengefasst und in eine funktionelle Kategorie eingeordnet werden.
In Experimenten, in denen das Geräusch kontinuierlich verändert wurde, konnten die Forscher keine kontinuierliche Veränderung des Antwortmusters beobachten, sondern einen abrupten Übergang von einem Muster in ein anderes. Solch ein dynamisches Verhalten ähnelt dem von künstlichen Attraktor-Netzwerken, die bereits vor Jahren von Theoretikern als eine mögliche Lösung des Kategorisierungsproblems vorgeschlagen wurden. Der Begriff Attraktor stammt aus der Chaosforschung und bezeichnet einen stabilen Zustand, dem sich ein dynamisches System annähert. Etwas salopper ausgedrückt, werden die akustischen Reize im Gehirn in bestimmten „Schubladen“ abgelegt, die den möglichen Antworten von Nervenzell-Gruppen entsprechen.
Rasterfahndung im Gehirn
Simon Rumpel zieht noch einen anderen Vergleich: „Wir können uns den Vorgang der akustischen Repräsentation wie eine Rasterfahndung vorstellen. Einzelne Neuronengruppen können immer nur wenige Eigenschaften eines Sinnesreizes wiedergeben – hoher Ton oder tiefer Ton, laut oder leise. Erst wenn über die Gesamtheit der Neuronen integriert wird, entsteht der komplette Eindruck des Geräuschs mit all seinen Schattierungen.“
Die Ergebnisse der Aktivitätsmessungen im Gehirn wurden durch Verhaltensexperimente mit Mäusen bestätigt. Zunächst trainierte man die Tiere darauf, zwei Töne zu unterscheiden. Ob das Antwortverhalten auf einen dritten Ton eher dem ersten oder zweiten Ton entsprach, diente als Maß der Ähnlichkeit der Wahrnehmung. Interessanterweise zeigte sich, dass die Ähnlichkeit in der Wahrnehmung durch den Vergleich der durch die entsprechenden Töne ausgelösten Aktivitätsmuster in der Hörrinde vorhergesagt werden konnte.
Mit ihrer Arbeit können die IMP-Forscher somit erstmals nachweisen, dass die Bildung von Kategorien auf der dynamischen Eigenschaft von Nervennetzen in der Gehirnrinde beruht. Es könnte sich dabei um ein fundamentales Prinzip höherer Gehirnfunktionen handeln, das etwa auch bei der Verarbeitung von Sprache eine Rolle spielt. (Neuron, 2012; doi:10.1016/j.neuron.2012.07.008)
(IMP – Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie GmbH, 19.10.2012 – NPO)
