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How the human brain combines the certainty of prior expectations and the clarity of sensory input during speech perception

Projektinformationen

ID Finanzhilfevereinbarung: 703635

  • Startdatum

    1 Januar 2017

  • Enddatum

    17 November 2019

Finanziert unter:

H2020-EU.1.3.2.

  • Gesamtbudget:

    € 171 460,80

  • EU-Beitrag

    € 171 460,80

Koordiniert durch:

UNIVERSITAETSKLINIKUM HAMBURG-EPPENDORF

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Verarbeitung von Erwartungen und sensorischen Reizen im Gehirn: Wahrnehmung oder Täuschung?

Für menschliche Kommunikation sind Sprach- und Gesichtserkennung unerlässlich. Zu klären, wie Prozesse im menschlichen Gehirn diese Signale in Kombination mit Erwartungen verarbeiten, war Thema der Studie EXPECTBRAIN.

Gesundheit
© brandmix, Shutterstock

Unser Gehirn hat die faszinierende Fähigkeit, bestehendes Wissen mit sensorischen Reizen zu verknüpfen und daraus unser subjektives Erleben zu gestalten. So können wir eingehende Informationen schnell einordnen und uns entsprechend anpassen – schaffen wir das nicht, können wir uns in unserer Wahrnehmung täuschen. Wie also kombiniert das Gehirn bei laufender Kommunikation Erwartungen mit sensorischen Informationen? Im Laufe der Zeit wurden in der Wissenschaft mehrere neuronale Mechanismen diskutiert. Nach der Theorie der prädiktiven Kodierung verarbeitet das Gehirn sensorische Reize und verknüpft sie mit passenden Erfahrungswerten, um Berechnungen in den Nervenzellen auszulösen. Doch wie genau die neuronalen Schaltkreise auf bestehende Erfahrungen zurückgreifen bleibt unklar.

Reaktionen des Gehirns bei Sprach- und Gesichtserkennung

Mit Unterstützung durch die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen wollte das Projekt EXPECTBRAIN mit einer Kombination verschiedener hochmoderner Methoden die Muster der Hirnaktivität analysieren und die Reaktionen des Gehirns auf Sprach- und Gesichtserkennung entschlüsseln. „Unser Ziel war, die neuronalen Mechanismen von Wahrnehmung und Sinnestäuschung zu spezifizieren“, erklärt die Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiatin Helen Blank. Dabei ging es hauptsächlich um vorhandene Erwartungen bei der Gesichts- und Spracherkennung. In einer Studie lernten die Probanden zunächst, Bilder von bestimmten Szenen und Gesichtern geistig zu verknüpfen. Nach der Lernphase wurden den Teilnehmenden einzelne Szenen und Gesichter wieder gezeigt und ihre Gehirnreaktionen mit funktioneller Magnetresonanztomografie (fMRT) gemessen. Den Ergebnissen zufolge ist die Repräsentation bestehender Gesichtserwartungen in den gesichtserkennenden Hirnregionen direkt proportional zur Sicherheit dieser Erwartung. In einer weiteren Studie wurden die Erwartungen vorab auf ähnliche Weise manipuliert, indem erst geschriebene Wörter gezeigt und dann unvollständige Wörter vorgesprochen wurden. Durch das Lesen der Wörter festigte sich in den Probanden eine Erfahrung, mit der sie das dann gehörte gesprochene Wort vergleichen konnten. Blank erklärt: „Wenn sie das richtige Wort hörten, wenn auch unvollständig, so konnten die Probanden das gesprochene Wort sehr leicht wahrnehmen. Aber auch geschriebene Wörter können die Wahrnehmung eines unvollständigen gesprochenen Wortes beeinflussen, besonders wenn das gesprochene und geschriebene Wort einander in bestimmten Teilen ähneln.“ Die Verhaltensdaten und die fMRT-Bilder des Gehirns flossen dann in Modellierungen ein, um alternative theoretische Annahmen zu prüfen. Bei der Spracherkennung scheint das Gehirn Vorhersagefehler zu nutzen, um zu bestimmen, ob sensorische Reize zu bestehenden Erwartungen passen oder nicht. Ist der Fehler nur klein, bestätigt er die bestehende Erwartung. Ist er groß, wird die Erwartung verworfen.

Die Bedeutung des Projekts

Um herauszufinden, wie Erwartungen die Wahrnehmung beeinflussen, bieten Gesichts- und Spracherkennung den idealen Kontext, denn die jeweiligen gesichts- und spracherkennenden Regionen des Gehirns sind bereits gut untersucht. Außerdem können sowohl Gesichts- als auch Sprachreize einfach und kontrolliert manipuliert werden. Für einige Erkrankungen ist es unerlässlich, zu wissen wie das Gehirn bei der Kommunikation Erwartungen und sensorische Informationen kombiniert. Zwar können bestehende Erwartungen die Spracherkennung verbessern, aber sie können auch zu Fehlwahrnehmungen führen, aus denen unter anderem Erheiterung auf beiden Seiten oder ernste Fehlkommunikation entstehen können. Bei hörgeschädigten Personen kommt es häufig zu Fehlwahrnehmungen, die zu sozialem Rückzug und Isolation führen könnten, mit ernsten Folgen für das Wohlbefinden. Die Ergebnisse aus EXPECTBRAIN können ebenso für neuropsychiatrische Erkrankungen mit ungewöhnlichen Wahrnehmungserfahrungen oder für die technische Weiterentwicklung von maschineller Spracherkennung genutzt werden.

Schlüsselbegriffe

EXPECTBRAIN, Gehirn, Hirn, Gesichtserkennung, Sprache, fMRT, Hörschädigung, sensorischer Reiz, Spracherkennung, neuronale Schaltkreise

Projektinformationen

ID Finanzhilfevereinbarung: 703635

  • Startdatum

    1 Januar 2017

  • Enddatum

    17 November 2019

Finanziert unter:

H2020-EU.1.3.2.

  • Gesamtbudget:

    € 171 460,80

  • EU-Beitrag

    € 171 460,80

Koordiniert durch:

UNIVERSITAETSKLINIKUM HAMBURG-EPPENDORF