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Wie reagiert das Gehirn, wenn sich vertraute Regeln plötzlich ändern?
Neue Regeln, andere Verbindungen: Wenn vertraute Zuordnungen plötzlich nicht mehr stimmen, verändert ein frontoparietales Kontrollnetzwerk seine funktionelle Kopplung mit anderen Hirnregionen. Eine fMRT-Studie mit 38 jungen Erwachsenen zeigt, dass je nach Entscheidungsphase unterschiedliche Signale für Unsicherheit, Auswahl und Feedback mit jeweils eigenen Verbindungsmustern verknüpft sind.
Iowa City (U.S.A.). Im Alltag muss das Gehirn ständig Sinneseindrücke, Erinnerungen und Rückmeldungen miteinander verknüpfen. Besonders anspruchsvoll wird das, wenn vertraute Regeln plötzlich nicht mehr gelten. Eine zentrale Rolle spielt dabei der frontoparietale Kortex, ein Netzwerk aus Bereichen im Stirn- und Scheitellappen, das mit vielen anderen Hirnsystemen verbunden ist.
Schon frühere Arbeiten deuteten darauf hin, dass solche sogenannten Verbindungsknoten Informationen aus verschiedenen Netzwerken zusammenführen. Meist stützte sich diese Annahme jedoch auf relativ statische Messungen der Hirnvernetzung. Offen blieb deshalb, wie sich ihre funktionelle Kopplung während einzelner Schritte einer Entscheidung verändert.
Forscher der University of Iowa (UI) um Kai Hwang haben nun untersucht, wie unterschiedliche Rechensignale diese Verbindungen im laufenden Verhalten modulieren. Für die neue Analyse griff das Team auf bereits veröffentlichte fMRT-Daten zurück und verband sie mit einem Bayes-Modell sowie einer Analyse der funktionellen Konnektivität, also wie stark die Aktivität verschiedener Hirnregionen statistisch miteinander zusammenhing.
„Unsere Studie zeigt genauer, wie der frontoparietale Kortex arbeitet, welche Informationen er aus anderen Systemen herauszieht und wie er sein Verbindungsmuster nutzt, um Informationen aus verschiedenen Bereichen des Gehirns zu integrieren. Das ist der wichtigste Beitrag“, sagt Kai Hwang.
Von 49 rekrutierten Personen gingen 38 in die endgültige Auswertung ein, nachdem elf wegen zu starker Kopfbewegungen oder Leistungen auf Zufallsniveau ausgeschlossen worden waren. Die ausgewerteten Teilnehmer waren 18 bis 35 Jahre alt, rechtshändig und berichteten keine neurologischen oder psychiatrischen Erkrankungen.
Die Versuchspersonen sahen zunächst ein Feld aus roten und gelben Punkten, in dem eine Farbe nur leicht überwog. Danach erschien ein überlagertes Bild aus einem Gesicht und einer Szene. Welche der beiden Aufgaben sie lösen mussten, hing von der Farbe und von einer verborgenen Regel ab, die sich unbemerkt alle 10 bis 20 Durchgänge änderte.
„Wenn sie immer richtig liegen, wissen sie, dass sie die richtige Zuordnung getroffen haben. Sobald sie aber Fehler machen, müssen sie sich fragen: ‚Hat sich der Kontext verändert oder habe ich die Farbe nicht klar gesehen?‘ Das erzeugt Unsicherheit“, erklärt Kai Hwang.
Ein Bayes-Modell schätzte für jeden Durchgang, wie sicher die Versuchspersonen Farbe und aktuelle Regel einschätzen konnten. Daraus leitete es drei für die neue Analyse wichtige Größen ab: die Unsicherheit vor der Auswahl, die wahrscheinlich gewählte Aufgabe und ein mit der Sicherheit gewichtetes Fehlersignal nach der Rückmeldung.
Am deutlichsten zeigte sich der Effekt vor der eigentlichen Auswahl. Je größer die modellierte Unsicherheit war, desto stärker war der frontoparietale Kortex funktionell mit verteilten Regionen gekoppelt, die relevante Farb-, Kontext- und Handlungsinformationen trugen. Im korrigierten Netzwerk zeigten 19 Prozent der untersuchten Verbindungen einen signifikanten positiven Effekt der Unsicherheit.