Wie Überraschungen Wachsamkeit und Lernen im Gehirn verändern

Unerwartete Ereignisse ziehen nicht nur Aufmerksamkeit auf sich. Sie könnten das Gehirn auch dazu bringen, sich von bisherigen Erwartungen zu lösen, neue Informationen aufzunehmen und zu prüfen, ob sich die aktuelle Situation tatsächlich verändert hat.

Ein neues Experiment deutet darauf hin, dass kurze Anstiege der körperlichen Wachsamkeit diese mentale Anpassung unterstützen.

Solche Veränderungen zeigten sich sowohl in der Pupillengröße der Teilnehmenden als auch in ihrer elektrischen Hirnaktivität, wenn die Farben auf einem Bildschirm nicht ihren Erwartungen entsprachen.

Das Vorhersagesystem des Gehirns

Das Gehirn nutzt frühere Erfahrungen fortlaufend, um vorherzusagen, was als Nächstes geschehen wird.

Bleibt die Umwelt unverändert, können solche Erwartungen die Wahrnehmung präzisieren, weil sie unsichere oder unvollständige Informationen ergänzen.

Ändern sich die Umstände, können Erwartungen jedoch zum Problem werden. Menschen könnten neue Informationen weiterhin durch eine überholte Annahme deuten, obwohl die Belege nicht mehr dazu passen.

Damit steht das Gehirn vor einer dauerhaften Aufgabe: Es muss vergangene Erfahrungen einsetzen, ohne zuzulassen, dass sie wichtige neue Details überlagern.

„Eine Pupillenerweiterung signalisiert einen Anstieg der Erregung, und unsere Ergebnisse stützen die Annahme, dass diese schnellen Schwankungen der Erregung im Gehirn eine nützliche Funktion erfüllen“, sagte der Studienautor Matt Nassar, außerordentlicher Professor an der Brown University.

„Sie ermöglichen uns den Umgang mit einer Welt, die sich häufig von einem Kontext zum anderen verändert.“

Messung der Wachsamkeit im Gehirn

Mit Erregung ist ein vorübergehender Anstieg der Wachsamkeit gemeint, nicht ausschließlich emotionale Aufregung. Dazu können Veränderungen der Aufmerksamkeit, der Herzaktivität, der Pupillengröße und der Ausschüttung chemischer Botenstoffe im Gehirn gehören.

Das Forschungsteam konzentrierte sich auf eine kleine Hirnregion, den Locus coeruleus.

Dieser Bereich ist eine wichtige Quelle für Noradrenalin, einen chemischen Botenstoff, der an Wachsamkeit, Aufmerksamkeit und der körperlichen Reaktion auf bedeutsame Ereignisse beteiligt ist.

Unerwartete Ereignisse aktivieren dieses System häufig. Außerdem erweitern sich dabei die Pupillen, und in der Elektroenzephalografie, kurz EEG, entstehen charakteristische Muster. Das EEG erfasst elektrische Aktivität über Sensoren auf der Kopfhaut.

Weder Pupillenerweiterungen noch EEG-Muster messen den Locus coeruleus allerdings unmittelbar. Sie dienen vielmehr als indirekte Hinweise auf umfassendere Veränderungen der Hirnaktivität.

Die nächste Farbe vorhersagen

An dem Experiment nahmen 63 gesunde Erwachsene im Alter von 18 bis 40 Jahren teil.

Verhaltensdaten lagen von allen Teilnehmenden vor, während bei 60 verwertbare Pupillenmessungen und bei 57 verwertbare EEG-Aufzeichnungen verfügbar waren.

In jedem Durchgang sahen die Teilnehmenden kurz zwei farbige Quadrate. Anschließend stellten sie beide Farben aus dem Gedächtnis nach und sagten voraus, welche Farben im folgenden Durchgang erscheinen würden.

Wenn Überraschungen Veränderungen anzeigen

Die Aufgabe umfasste zwei unterschiedliche Arten unerwarteter Ereignisse. In einer Bedingung stand eine überraschende Farbe für eine anhaltende Veränderung, sodass die nachfolgenden Farben wahrscheinlich einem neuen Muster folgen würden.

In der anderen Bedingung war die ungewöhnliche Farbe ein Ausreißer, also eine kurze Ausnahme ohne Hinweis auf eine dauerhafte Verschiebung. Danach setzte sich das gewöhnliche Farbmuster fort.

„Wir wollten das Phänomen erfassen, das mit zwei übergeordneten Vorstellungen darüber verbunden ist, wie das Erregungssystem das Verhalten beeinflusst“, sagte der Mitautor der Studie Harrison Marble.

„Eine davon betrifft das Lernen, die andere den Wahrnehmungsbias.“

Pupillen reagierten auf Überraschungen

Die Pupillen der Teilnehmenden erweiterten sich stärker nach Farben, die deutlich auf eine Veränderung oder ein Ausreißerereignis hindeuteten. Der größte Unterschied zeigte sich etwa 1.5 bis vier Sekunden nach dem Erscheinen der Farben.

Überraschende Farben veränderten zudem mehrere EEG-Signale. Ein frühes Signal namens P3a trat ungefähr 450 Millisekunden nach dem Ereignis auf und wies die deutlichste Verbindung zu der vorhergesagten mentalen Umstellung auf.

Die P3a ist ein kurzes Muster elektrischer Aktivität, das mit der Aufmerksamkeit für etwas Neues oder Unerwartetes verbunden wird. Ein späteres Signal, die P3b, zeigte keine vergleichbar verlässliche Beziehung zu den in diesem Experiment untersuchten Veränderungen.

Zusammengenommen weisen die Pupillen- und EEG-Ergebnisse darauf hin, dass Überraschungen mit einer schnellen Änderung der Wachsamkeit verbunden waren. Diese Reaktion könnte dem Gehirn helfen zu erkennen, dass sein gegenwärtiges Verständnis der Situation aktualisiert werden muss.

Aus alten Überzeugungen lösen

Die Aufgabe machte außerdem sichtbar, wie Erwartungen das Erinnern der gesehenen Farben beeinflussten. Folgten die Farben einem vertrauten Muster, orientierten sich die Rekonstruktionen der Teilnehmenden stärker an den von ihnen vorhergesagten Farben.

Dieser Bias war häufig hilfreich, da Vorhersagen die allgemeine Genauigkeit verbesserten, wenn das Muster verlässlich blieb.

Deutete eine Farbe jedoch stark auf eine veränderte Situation hin, stützten sich die Teilnehmenden weniger auf diese Erwartungen.

Stärkere Pupillenreaktionen und ausgeprägtere EEG-Anzeichen für Wachsamkeit standen mit einem geringeren Bias zugunsten früherer Vorhersagen in Zusammenhang.

Hirnsignale zeigten Aktualisierung an

Vereinfacht ausgedrückt schienen die Teilnehmenden eher bereit, die unerwartete Farbe so zu akzeptieren, wie sie war, statt sie an ihre Erwartungen anzupassen.

„Das Gehirn hält an einem gewissen mentalen Kontext fest, und wenn es dann erkennt, dass man sich in einer neuen Situation befindet, ersetzt es diesen Kontext“, sagte Nassar.

„Veränderungen des Pupillendurchmessers sowie bestimmte EEG-Messwerte sind äußere Marker, die zeigen, dass das Gehirn diesen neuen Kontext lädt.

„Das begrenzt sowohl den Einfluss, den der vorherige Kontext auf die Wahrnehmung hatte, als auch schafft es einen unbeschriebenen Zustand, der nicht durch frühere Erwartungen belastet ist und dadurch schnelleres Lernen ermöglicht.“

Lernen hing vom Kontext ab

Die Wachsamkeitsreaktion führte nicht einfach dazu, dass die Teilnehmenden aus jeder Überraschung mehr lernten. Ihr Zusammenhang mit dem Lernen hing davon ab, was die ungewöhnliche Farbe bedeutete.

Signalisierte eine überraschende Farbe eine dauerhafte Veränderung, waren stärkere Pupillen- und EEG-Reaktionen mit größeren Anpassungen späterer Vorhersagen verbunden.

Die Teilnehmenden betrachteten das Ereignis als nützlichen Hinweis darauf, was als Nächstes folgen würde. War die Farbe hingegen nur ein Ausreißer, gingen stärkere Reaktionen mit kleineren Anpassungen einher.

Das Gehirn filterte Ausreißer

Offenbar erkannten die Teilnehmenden das Ereignis als vorübergehende Ausnahme und verhinderten, dass es künftige Erwartungen verzerrte.

Dieser Unterschied ist bedeutsam, weil wirksames Lernen mehr verlangt, als lediglich intensiv auf neue Informationen zu reagieren.

Das Gehirn muss entscheiden, ob ein Ereignis ein neues Muster offenlegt oder lediglich eine kurze Abweichung vom Gewöhnlichen darstellt.

Studiengrenzen und künftige Forschung

Das Experiment zeigte enge Zusammenhänge zwischen Überraschung, körperlicher Wachsamkeit, Wahrnehmung und Lernen. Es belegte jedoch nicht, dass Pupillenerweiterungen oder die gemessene EEG-Aktivität die Verhaltensänderungen verursachten.

Das Team zeichnete außerdem keine Aktivität direkt aus dem Locus coeruleus auf. Die Pupillengröße kann mehrere chemische Systeme des Gehirns widerspiegeln, weshalb Noradrenalin eine wahrscheinliche Erklärung bleibt, aber keine bestätigte Ursache ist.

Die Stichprobe beschränkte sich auf 63 überwiegend junge Erwachsene, die eine kontrollierte Farbaufgabe bearbeiteten. Künftige Forschung muss prüfen, ob derselbe Prozess bei verschiedenen Altersgruppen und in komplexeren Alltagssituationen wirkt.

Trotz dieser Einschränkungen liefern die Ergebnisse einen hilfreichen Einblick darin, wie das Gehirn Stabilität und Flexibilität ausbalancieren könnte.

Kurze Anstiege der Wachsamkeit scheinen Momente zu kennzeichnen, in denen alte Erwartungen weniger Gewicht haben sollten und neue Informationen genauere Aufmerksamkeit verdienen.