„Lebhafte“ Umgebungen: Die Rolle des Striatums bei der visuellen Selektion
Der Mensch wird mit Sinneseindrücken bombardiert. Er muss externe Stimuli priorisieren, begrenzte Verarbeitungsressourcen für verhaltensrelevante Informationen zuweisen und Entscheidungen über zu ergreifende Maßnahmen treffen. Auch wenn die Wissenschaft inzwischen weiß, dass bestimmte kortikale Regionen eine Schlüsselrolle bei der Darstellung visueller Informationen spielen, ist unklar, welche Gehirnregionen Vorhersagen kodieren und wie diese Vorhersagen die visuelle Auswahl beeinflussen. Mit der Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen wurde das Projekt STRIAVISE, das von der Universität Birmingham koordiniert wurde, mithilfe von Psychophysik, Hirnbildgebung und Modellierung auf diese offenen Fragen ausgerichtet.
Die Striatum-Hypothese: Vorhersage, Entscheidungsfindung und visuelle Auswahl
Das dicht vernetzte Striatum ist die bei weitem größte subkortikale Struktur im Gehirn von Säugetieren. Es empfängt Input von kortikalen Strukturen, die die visuelle Aufmerksamkeit unterstützen, sendet Output an subkortikale Strukturen, die für willkürliche Bewegungen notwendig sind, und kommuniziert indirekt mit dem Kortex. Zahlreiche Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass das Striatum eine Rolle bei der Vorhersage zukünftiger Ergebnisse und bei Bewegung und Belohnung spielt, beispielsweise bei der Entscheidungsfindung und bei zielgerichteten Bewegungen. Das Striatum ist somit ein hervorragendes potenzielles neuronales Substrat für die Integration von Vorhersagen und die Vermittlung der visuellen Aufmerksamkeit.
Kortiko-striatale Interaktionen und konkurrierende Informationsquellen
STRIAVISE untersuchte die Rolle des Striatums, wenn konkurrierende Informationsquellen vorhanden sind, die Entscheidungen über die Aufmerksamkeitsverteilung erfordern. Kelly Garner, Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiatin von STRIAVISE, die jetzt an der University of Queensland tätig ist, verwendete zur Beantwortung dieser Frage Daten aus einer groß angelegten Studie zur Bildgebung des Gehirns und die dynamische Kausalmodellierung, eine Methode, die bereits erfolgreich zur Schätzung der Kopplung zwischen Gehirnregionen aus Daten der funktionellen Bildgebung des Gehirns eingesetzt wurde. „Wir haben festgestellt, dass das Striatum die Häufigkeit, mit der es mit dem Kortex kommuniziert, beschleunigt, wenn die Menschen konkurrierende Informationsquellen beachten müssen. Mit anderen Worten: Beim Multitasking müssen mehr Informationen in einer bestimmten Zeit durch die Schaltkreise übertragen werden“, erklärt Garner.
Neuronale Mechanismen der Vorhersage: Räumliche Gewissheit versus Anreizwert
Zwei Möglichkeiten, wie die um die visuelle Aufmerksamkeit des Gehirns konkurrierenden Informationen priorisiert werden können, sind die räumliche Gewissheit der Reize oder ihr Anreizwert. Erstere legen mehr Wert auf visuelle Reize und erwarten, dass sie an bestimmten Orten erscheinen. Letztere legen mehr Wert auf Reize, die mit einer höheren Belohnung verbunden sind. Forschende haben festgestellt, dass das Gehirn eine räumliche Karte seiner Umgebung erstellt. Die herkömmliche Annahme war, dass Erwartung und Belohnung in der gleichen Karte kodiert werden, um die visuelle Aufmerksamkeit zu lenken. „Wir konnten nachweisen, dass Vorhersagen über den Raum in der Karte kodiert sind und die visuelle Aufmerksamkeit präventiv lenken. Überraschenderweise fanden wir jedoch heraus, dass Vorhersagen über Belohnungen in einem Signal des Bedauerns kodiert zu sein scheinen - sie könnten uns dabei helfen, unsere Aufmerksamkeit auf etwas Belohnenderes zu lenken, wenn unsere erste Wahl nicht gut für uns ausfällt“, erklärt Garner. Dies legt nahe, dass Erwartung und Belohnung unabhängig voneinander wirken, um die visuelle Auswahl zu steuern, und möglicherweise in unterschiedlichen neuronalen Substraten kodiert werden. Garners Ergebnisse zeigten auch, dass das Gehirn all die verschiedenen motivierenden Signale, die in der Umgebung verfügbar sind, normalisiert, um zu bestimmen, welche Ausrichtung jedem Ort zugewiesen werden soll. Garner kommt zu dem Schluss: „STRIAVISE hat unsere Vorstellungen über die visuellen Aufmerksamkeitssysteme des Gehirns erweitert. Unsere Erkenntnisse legen nahe, dass wir darüber nachdenken müssen, wie das Striatum unter schwierigen Bedingungen mit dem Kortex kommuniziert, z. B. wenn es darum geht, mehreren konkurrierenden visuellen Informationsquellen Priorität einzuräumen.“ Garners fortgesetzte Beschäftigung mit diesem Thema verspricht, große Erfolge zu erzielen.
Schlüsselbegriffe
STRIAVISE, Striatum, Aufmerksamkeit, Vorhersage, Belohnung, visuelle Auswahl, Erwartung, Anreizwert, räumliche Gewissheit, dynamische kausale Modellierung
