Wir leben in der Vergangenheit und unser Gehirn gleicht das aus

1. Februar 2006

Wir leben in der Vergangenheit und unser Gehirn gleicht das aus

1. Februar 2006

La Jolla, Kalifornien – Zum ersten Mal haben Wissenschaftler einen Blick auf das Gehirn geworfen, das in Echtzeit den zukünftigen Standort eines sich schnell bewegenden Objekts vorhersagte.

Das Sehen scheint so mühelos zu sein: Wir öffnen unsere Augen und lassen die Welt hereinströmen. Aber wir „sehen“ nicht mit unseren Augen – wir „sehen“ tatsächlich mit unserem Gehirn, und es braucht Zeit, bis die Welt dort ankommt. Von dem Zeitpunkt, an dem das Licht auf die Netzhaut trifft, bis zu dem Zeitpunkt, an dem das Signal entlang der Gehirnbahn gelangt, die visuelle Informationen verarbeitet, sind mindestens 70 Millisekunden vergangen. In dieser Zeit hat ein Baseball, der mit einer eher lahmen Geschwindigkeit von 85 Meilen pro Stunde ankommt, bereits 10 Fuß zurückgelegt! Damit der Spieler den Ball trotz Erfahrung schlagen kann, muss sein Gehirn die Verzögerung ausgleichen.

„Unser Gehirn ist ein Computergerät, dessen Berechnung Zeit braucht“, sagt er John Reynolds, Ph.D., ein Neurobiologe am Salk Institute for Biological Studies, der die Studie leitete, berichtete in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Neuron. „Wenn Sie ein Gemälde betrachten, spielt es keine Rolle, dass Sie Ereignisse erleben, die nur den Bruchteil einer Sekunde zurückliegen. In der realen Welt muss man oft mit sich bewegenden Objekten interagieren und diese Verzögerung dann kompensieren“, erklärt er.

Und genau das tut das Gehirn, schlussfolgerten die Salk-Wissenschaftler, als sie die Aktivität einzelner Gehirnzellen im visuellen Kortex aufzeichneten, während diese als Reaktion auf ein sich bewegendes Objekt aktiviert wurden, das auf einem Computerbildschirm kurzzeitig seine Farbe änderte.

Das visuelle System besteht aus einer Reihe miteinander verbundener Karten, die den sichtbaren Raum um uns herum darstellen, genau wie herkömmliche Karten geografische Gebiete widerspiegeln. Jede Gehirnzellaktivität innerhalb dieser Karten spiegelt die Position eines visuellen Reizes wider, beispielsweise eines Fastballs, der gerade dabei ist, die Hand eines Werfers in der realen Welt zu verlassen. Aber bis das Signal auf den visuellen Karten im Gehirn des Schlagmanns erscheint, hat der Baseball bereits ein Sechstel der Distanz zwischen dem Hügel des Werfers und der Home-Plate zurückgelegt.

Während aus früheren Studien bekannt war, dass das visuelle System über einen Mechanismus verfügt, der die wahrgenommene Position eines sich bewegenden Objekts von der Position, an der wir es „gesehen“ haben, zu der Position verschiebt, an der es sich höchstwahrscheinlich befinden würde, wenn das Gehirn mit der Verarbeitung des Objekts fertig ist Aufgrund der eingehenden Informationen war unklar, wie das Gehirn diese Leistung vollbrachte.

„Wir haben Beweise dafür gefunden, dass mindestens eine dieser Karten genau so verzerrt wird, wie man es für die Wahrnehmungsverschiebung benötigen würde“, erklärt Kristy A. Sundberg, Doktorandin am Salk Institute, die Erstautorin der Studie. „Diese Kartenverzerrung könnte Teil des Mechanismus sein, den das Gehirn verwendet, um den wahrgenommenen Ort des sich bewegenden Reizes entlang seiner Bewegungsbahn zu verschieben, um die Rechenverzögerung des Gehirns zu kompensieren.“

Um herauszufinden, wie das Gehirn die Rechenverzögerung ausgleicht, machten sich die Forscher eine optische Täuschung zunutze, die als „Flash-Jump“-Effekt bekannt ist Klicken Sie hier für eine kurze Demonstration.

In der leicht modifizierten Version, mit der die Wissenschaftler ihre Experimente durchgeführt haben, bewegt sich ein blinkender Reiz über den Bildschirm und ändert kurzzeitig seine Farbe, während er seine Reise fortsetzt. Auf die Frage, wo die Farbänderung in Bezug auf ein festes Symbol auf dem Computerbildschirm stattgefunden hat, können die meisten Menschen den richtigen Ort nicht genau bestimmen, sondern berichten stattdessen, dass sie die Farbänderung weiter entlang ihrer Flugbahn „sehen“.

Sundberg und Kollegen zeichneten neuronale Reaktionen in einem Bereich auf, der auf halber Strecke des Weges liegt, der visuelle Informationen im Gehirn verarbeitet. Während sich die Reizsequenz von links nach rechts bewegte, kartierten sie zunächst den genauen Bereich auf dem Computerbildschirm, in dem eine Farbänderung eine Reaktion in einer Gehirnzelle in diesem Bereich auslösen würde. Anschließend führten sie die gleiche Messung durch, als sich der Reiz in die entgegengesetzte Richtung bewegte.

Wenn die Zelle lediglich den physischen Ort des Farbwechsels kodieren würde, wäre die Reaktion dieselbe, da der Farbwechsel am exakt gleichen physischen Ort stattfand. „Stattdessen fanden wir ein verschobenes Profil“, berichtet Sundberg.

„Es ist, als ob die Zelle sich ausstreckte, um den Bewegungsreiz abzufangen. Als Ergebnis dieser Verschiebung nehmen wir die Farbänderung weiter entlang der Bewegungsbahn wahr und helfen so, Verarbeitungsverzögerungen auszugleichen“, erklärt Reynolds, Assistenzprofessor am Systems Neurobiology Laboratory.

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.