Visuelle Aufmerksamkeit: Wie das Gehirn die sichtbare Welt optimal nutzt

25. März 2009

Visuelle Aufmerksamkeit: Wie das Gehirn die sichtbare Welt optimal nutzt

25. März 2009

La Jolla, CA – Das visuelle System verfügt über eine begrenzte Kapazität und kann nicht alles verarbeiten, was auf die Netzhaut fällt. Stattdessen verlässt sich das Gehirn auf die Aufmerksamkeit, um hervorstechende Details hervorzuheben und Hintergrundunordnung herauszufiltern. Zwei aktuelle Studien von Forschern des Salk Institute for Biological Studies, eine Studie unter Verwendung von Computermodellierungstechniken und die andere experimentelle Techniken, haben dazu beigetragen, die Mechanismen zu entschlüsseln, die der Aufmerksamkeit zugrunde liegen.

„Beim alltäglichen Betrachten ist ein visuelles Detail, das das Ziel unserer Aufmerksamkeit ist, im Allgemeinen von vielen Reizen umgeben, die für das Verhalten momentan irrelevant sind“, sagt er John H. Reynolds, Ph.D., außerordentlicher Professor am Systems Neurobiology Laboratory am Salk Institute, der die in der Ausgabe der Zeitschrift vom 26. März 2009 veröffentlichte Studie leitete Neuron. „Aufmerksamkeit leitet relevante Informationen dynamisch an Entscheidungsbereiche im Gehirn weiter und unterdrückt das umgebende Durcheinander.“

Aber wie das Gehirn diese Leistung vollbringt, ist Gegenstand vieler Debatten. In einer früheren Ausgabe von Neuron Reynolds und David J. Heeger, Ph.D., Professor am Institut für Psychologie und am Center for Neural Science der NYU, stellten ein neues theoretisches Modell der Aufmerksamkeit vor. Ihr Modell legt nahe, dass die Aufmerksamkeit dieselben neuronalen Schaltkreise nutzt, die auch das visuelle System verwendet, um seine Empfindlichkeit anzupassen, was es uns ermöglicht, die Welt unabhängig von großen Kontrast- und Beleuchtungsänderungen im Laufe des Tages wahrzunehmen.

„Die zentrale Rolle der Aufmerksamkeit bei der Wahrnehmung ist seit den Anfängen der experimentellen Psychologie bekannt. Zu diesem Thema wurde enorm viel geforscht, aber scheinbar widersprüchliche experimentelle Daten haben Forscher jahrelang verwirrt“, sagt Reynolds. „Unser Modell brachte scheinbar ein Sammelsurium an Beobachtungen in einem einfachen Rahmen zusammen, und unsere neueste Studie testete und bestätigte die Vorhersagen der Theorie.“

Die Stärke des visuellen Inputs schwankt über Größenordnungen. Das visuelle System reagiert automatisch auf diese Veränderungen, indem es seine Empfindlichkeit anpasst, bei schwachen Eingaben empfindlicher wird und bei starken Eingaben die Empfindlichkeit verringert. Wenn wir beispielsweise an einem sonnigen Tag einen abgedunkelten Hörsaal betreten, sehen wir zunächst wenig, doch mit der Zeit passt sich unser visuelles System an und erhöht seine Empfindlichkeit an die Umgebung.

Eine subtilere Variante davon ist die sogenannte Kontrastverstärkungsregelung. „Verbringen Sie ein paar Minuten damit, ein Foto von Ansel Adams anzustarren. Sie werden feststellen, dass sich Ihr visuelles System an kontrastarme Teile des Bildes anpasst und Feinheiten zum Vorschein bringt, die zunächst unsichtbar waren“, erklärt Reynolds.

Heeger schlug ein einfaches, aber leistungsstarkes Modell der kortikalen Schaltkreise vor, das dabei hilft, diese Form der automatischen Verstärkungskontrolle zu vermitteln. „Wir glauben, dass diese Schaltkreise im Laufe der Evolution übernommen wurden und es dem Gehirn ermöglichen, dieselben Schaltkreise zu nutzen, um seine Empfindlichkeit endogen anzupassen“, sagt Reynolds. „Es passt nicht nur die Empfindlichkeit als Reaktion auf Änderungen in der Eingabestärke an, sondern ermöglicht es dem Gehirn auch, aufgabenrelevante Informationen hervorzuheben und neuronale Signale zu unterdrücken, die durch aufgabenirrelevantes Durcheinander verursacht werden.“

Neuronen im visuellen Kortex betrachten die Welt durch ihre „Empfangsfelder“, den kleinen Teil des Gesichtsfelds, den einzelne Neuronen tatsächlich „sehen“ oder auf den sie reagieren. Immer wenn ein Reiz in das Empfangsfeld fällt, erzeugt die Zelle eine Salve elektrischer Impulse, sogenannte „Aktionspotentiale“, die Informationen über den Reiz im Empfangsfeld übermitteln.

Die Stärke und Treue dieser Signale hängt aber auch von anderen Faktoren ab. Wissenschaftler sind sich im Allgemeinen einig, dass Neuronen typischerweise stärker reagieren, wenn die Aufmerksamkeit auf den Reiz in ihren Empfangsfeldern gelenkt wird. Darüber hinaus kann die Reaktion einzelner Neuronen stark davon beeinflusst werden, was in der unmittelbaren Umgebung des Empfangsfeldes geschieht, ein Phänomen, das als kontextuelle Modulation bekannt ist.

„Die Umgebung hat die Fähigkeit, die Reaktion des Neurons zu unterdrücken“, erklärt Erstautorin Kristy Sundberg, Ph.D., eine ehemalige Doktorandin in Reynolds‘ Labor und jetzt Postdoktorandin an der Yale University. „Es hält uns davon ab, ständig zu reagieren, wenn es etwas gibt, das groß und einheitlich und nicht besonders interessant oder nützlich ist. Dies erhöhte die Möglichkeit, dass die Umgebung des Empfangsfeldes eine Möglichkeit bieten könnte, die Reaktionen von aufgabenirrelevanten Ablenkern zu unterdrücken.“

Um dem auf den Grund zu gehen, führte Sundberg eine Reihe von Experimenten durch, bei denen sie einen Reiz im Empfangsfeld und einen anderen in der Umgebung platzierte. Wie in der Theorie von Reynolds und Heeger vorhergesagt, stellte sie fest, dass die Lenkung der Aufmerksamkeit auf den zentralen Reiz das Neuron vor den unterdrückenden Wirkungen des Reizes in der Umgebung immunisierte. Als sie ihre Aufmerksamkeit stattdessen auf einen Reiz in der Umgebung richtete, unterdrückte dies die Reaktion des Neurons auf den aufgabenirrelevanten Reiz in der Mitte.

„Das Aufmerksamkeitssystem nutzt die Mitte-Umfeld-Organisation des rezeptiven Feldes, um zu verhindern, dass Neuronen, die aufgabenrelevante Informationen übermitteln, durch Ablenker in der Umgebung unterdrückt werden, während es gleichzeitig die Reaktionen von Neuronen unterdrückt, die auf irrelevantes Durcheinander reagieren“, sagt er Sundberg. „Das Gehirn nutzt die rezeptive Feldumgebung aktiv, um die Spreu vom Weizen zu trennen.“

Jude F. Mitchell, Ph.D., ein Postdoktorand in Reynolds‘ Labor, trug ebenfalls zu der Studie bei.

Das Salk Institute for Biological Studies in La Jolla, Kalifornien, ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation, die sich grundlegenden Entdeckungen in den Biowissenschaften, der Verbesserung der menschlichen Gesundheit und der Ausbildung zukünftiger Forschergenerationen widmet. Jonas Salk, MD, dessen Polio-Impfung 1955 die lähmende Krankheit Poliomyelitis nahezu ausgerottet hatte, eröffnete das Institut 1965 mit einer Landspende der Stadt San Diego und der finanziellen Unterstützung des March of Dimes.