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Göttingen Das Gehirn entscheidet in Sekungenbruchteilen
Campus Göttingen Das Gehirn entscheidet in Sekungenbruchteilen
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16:57 27.07.2017
Quelle: gt
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Göttingen

Wie Tausende Menschen in einer belebten Fußgängerzone strömen den ganzen Tag über Informationen an uns vorbei. Unser Gehirn ist in der Lage, aus diesem Überfluss auszuwählen, was für uns relevant ist und was nicht - in Sekundenbruchteilen und fokussiert. Es gelingt uns, die Konzentration auf das zu lenken, was im Moment entscheidend ist und vieles andere einfach auszublenden. Aber: Wie macht das Gehirn das? Wie verlagert es so schnell und meistens zielsicher den Fokus der Aufmerksamkeit? Und: Was passiert im Kopf, wenn verschiedene Bereiche des Gehirns auswählen, welchen anderen Hirnbereichen sie Aufmerksamkeit schenken?

Zusammenarbeit in kleinen Populationen

Das Gehirn ist im Grunde ein dicht verknüpftes Netzwerk von Neuronen, die ihre Verbindungen nicht so oft und nicht so schnell verändern können. Die Max-Planck-Forscherin Dr. Agostina Palmigiano hat nun, gemeinsam mit einem internationalen Team, einen besonders flexiblen Mechanismus aufgedeckt, die Informationspfade in wenigen Hundert Millisekunden neu zu verknüpfen. Die Forschergruppe arbeitete unter der Leitung von Prof. Fred Wolf, Direktor des Bernstein-Zentrums für Computational Neuroscience und Leiter der Forschungsgruppe Theoretische Neurophysik am Göttinger Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation. Weiterer Kopf der Gruppe war Dr. Demian Battaglia an der Universität Aix-Marseille in  Frankreich.

"Neuronen im Gehirn arbeiten in kleinen Populationen von einigen Tausenden von Zellen zusammen, die gemeinsam eingehende Informationen verarbeiten", erklären die Forscher. "Sind die Aktivitäten der Neuronen koordiniert, beobachtet man oft Schwingungen ihrer Signalbearbeitung. Diese sind allerdings recht unregelmäßig und häufig unterbrochen." Wie Hirnbereiche mit anderen kommunizieren, dafür gebe es bisher keien Erklärung. "Aktivitätsschwingungen können potenziell als zeitliche Struktur wirken, die die Übermittlung von Informationen zwischen entfernten Teilen des Gehirns steuert", so die Wissenschaftler. Sie vergleichen die Kommunikation mit der elektronischen Datenvermittlung: Sind Sender und Empfänger nicht auf derselben Wellenlänge, kommen die Infos nicht an. Palmigiano und ihre Kollegen fanden nun heraus, dass weit voneinander entfernte Hirnbereiche auch kurze Schwingungsstöße spontan koordinieren können, wenn sie mit starken Verbindungen verknüpft sind, und dies auch, wenn Sie nur kurz zusammenwirken.

Verstärkung von Hintergrundsignalen

Die Koordination der Schwingungsstöße dirigiere dabei, wie Informationen zwischen den Gehirnbereichen fließen, erklären die Wissenschaftler. "Abhängig davon, wie sich die vorübergehenden Schwingungen der verschiedenen Hirngebiete organisieren, können Informationen nämlich nur über bestimmte Wege fließen." Ein Beispiel mit drei miteinander verbundenen Gehirnbereichen soll das veranschaulichen: Ein Zielbereich kann relevante Informationen aus einem Eingabebereich und irrelevante Informationen von einem anderen gleichzeitig erhalten.

Wie kann er dem einem folgen und den anderen ignorieren? Palmigiano und ihre Kollegen stellten fest, dass vorübergehende neuronale Schwingungsstöße in jedem Bereich eine flexible zeitliche Struktur zur Verfügung stellen, die einen unidirektionale Informationstransfer zwischen den Bereichen bewirkt. Bereiche, deren Oszillation zeitlich denen anderer vorausläuft, fungiert automatisch als Absender, während diejenigen, deren Oszillation mit einer zeitlichen Verschiebung nachläuft, optimale Empfänger sind. Sender und Empfänger können so innerhalb von wenigen Hundert Millisekunden wechseln.

Wie kann die „Aufmerksamkeit“ nun auswählen, wem letztendlich zuhört wird? Palmigiano und Kollegen fanden heraus, dass die Verstärkung eines unspezifischen Hintergrundsignals in einem der zusammenwirkenden Bereiche ausreicht, um diesen dadurch zum Sender zu machen. Irgendwo im Gehirn entscheidet sich, worauf wir achten sollten. Die neuen Ergebnisse legen deshalb nahe, dass sobald dies geschieht, solche unspezifischen Signale an die Hirnbereiche verschickt werden, die gerade die relevantesten Nachrichten weitergeben können.

Andere haben dadurch automatisch nur eine geringere Chance Gehör zu finden. Erste Hinweise für diese Art von Mechanismus, externe Eingangssignale zu leiten, wurde experimentell bereits gefunden. „Unsere Ergebnisse zeigen einen Mechanismus für ein selbstorganisiertes und dadurch besonders flexibles Weiterleiten von Information, das nicht allein von der fixen „Verdrahtung“ verschiedener Gehirnbereiche abhängt, sondern von ihrem dynamischen Zusammenspiel“, betont Wolf.

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