Dynamates: Dynamiken der auditiven Prädiktion in menschlichen und anderen Primaten

Stellen Sie sich vor, Sie befinden sich im dichten Straßenverkehr, inmitten von Fußgängern, Radfahrern und Autos, die sich alle in unterschiedliche Richtungen bewegen. In dieser und vielen anderen Situationen ist es überlebenswichtig, genau zu wissen wo und wann Ereignisse in unserer Umgebung stattfinden. Um möglichst schnell und korrekt auf externe Reize zu reagieren, erzeugt unser Gehirn dabei ständig Vorhersagen über zukünftige Ereignisse. Zum Beispiel, wo ein heranfahrendes Auto sich zu dem Zeitpunkt befinden wird, wenn wir die Straße überqueren wollen. Nicht nur für uns Menschen sind diese Vorhersagen zentral. Auch andere Primaten könnten ähnliche Mechanismen verwenden, etwa wenn sie sich durch dichtes Dschungelgebiet bewegen. Inwiefern die Evolution diese Mechanismen bei Menschen im Vergleich zu anderen Spezies geformt hat, ist bis heute unklar. Des Weiteren sind unsere Sinnesinformationen oft mehrdeutig, sodass unser Gehirn mehrere parallele Interpretationen und Vorhersagen erzeugt und sich letztlich auf eine festlegen muss. Gegenwärtig stammt der Großteil unseres Wissens über diese Wahrnehmungsprozesse aus Studien zum Sehsinn. Vergleichsweise wenig ist darüber für unseren Hörsinn bekannt, welcher aber gleichermaßen zentral für unser Überleben und Sozialverhalten ist. Das Zukunftskolleg Dynamates möchte diese zentralen Wissenslücken zur Hörwahrnehmung schließen indem es die Vorhersagemechanismen nahe verwandter Spezies in realistischen aber hochkontrollierbaren virtuellen akustischen Umgebungen testen und mit Computermodellen abbilden wird. Zusätzlich wird Dynamates mittels hochauflösender Elektroenzephalographie (EEG) bei Menschen die neuronalen Grundlagen der zugrunde liegenden Prozesse untersuchen. Das Projekt basiert damit auf einer interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen ExpertInnen aus dem Bereich der Computermodellierung (Robert Baumgartner), der Neurowissenschaft (Ulrich Pomper), und der Kognitionsbiologie (Michelle Spierings). Dynamates wird somit den ersten systematischen Vergleich von dynamischen Vorhersage- und Entscheidungsprozessen des Hörsinns zwischen Menschen und nicht-menschlichen Primaten durchführen. Ein besseres Verständnis der neuronalen Grundlagen dieser Prozesse kann Anwendung bei der Behandlung von Personen mit Störungen im Wahrnehmungs- und Entscheidungsverhalten (z.B. bei Autismus oder Schizophrenie) finden. Die erstellten mathematischen Modelle lassen sich in Zukunft auch in anderen Spezies oder bei komplexeren Entscheidungsprozessen (z.B. in sozialen Interaktionen) testen, und können direkte Anwendung in der Entwicklung von künstlicher Intelligenz und virtuellen Realitäten finden. 2

Wie gelingt es uns, die Welt richtig wahrzunehmen, wenn sich ihre Regeln plötzlich ändern? Unser Gehirn versucht ständig vorauszusagen, was als Nächstes passiert - basierend auf bisherigen Erfahrungen. Weicht die eintreffende Sinnesinformation davon ab, entsteht ein Vorhersagefehler. In einer reizüberfluteten Umgebung ist jedoch schwer zu entscheiden, ob diesem Fehler zufälliges Rauschen oder eine tatsächlichen Veränderung zugrunde liegt. Die Forschung des interdisziplinären Zukunftskollegs DYNAMATES hat untersucht, wie Menschen und Affen ihre Vorhersagen über die Welt anpassen - mit besonderem Fokus auf das Hören, wo dieser Prozess bislang wenig erforscht ist. In mehreren Experimenten bat das Forschungsteam Teilnehmende, Geräuschfolgen zu beurteilen, deren zugrunde liegende Struktur sich gelegentlich änderte - etwa durch eine plötzliche Änderung der Richtung oder des Tempos. Durch die Kombination von Verhaltensmessungen, Elektroenzephalographie (Messung der Gehirnströme) und Pupillendaten mit Computermodellen konnten sie zeigen, wie das Gehirn frühere Erwartungen und neue Sinneseindrücke flexibel gegeneinander abwägt. Die Ergebnisse zeigen deutliche Hinweise auf sogenannte Bayes'sche Inferenz in der Wahrnehmung: In stabilen Phasen nutzten die Teilnehmenden ihre Vorerfahrungen, um Geräusche genauer zu lokalisieren, sowohl zeitlich als auch örtlich. Nach unerwarteten Veränderungen reduzierten sie jedoch den Einfluss dieser Vorinformationen. Ihr Verhalten entsprach stark den Vorhersagen vereinfachter Bayes-Modelle, die annehmen, dass das Gehirn basierend auf Wahrscheinlichkeitsrechnungen fortlaufend abwägt, ob eine Abweichung bloß Rauschen oder eine echte Veränderung bedeutet. Die Gehirnaktivität spiegelte zwei zentrale Faktoren wider: die Unsicherheit der Erwartungen und den Grad der Überraschung durch neue Ereignisse. Beide beeinflussten, wie genau und selbstsicher Teilnehmende antworteten. Auch Pupillenreaktionen - ein Maß für Erregung - zeigten, wie stark Überzeugungen angepasst wurden, was auf eine Verbindung mit dem noradrenergen Erregungssystem des Gehirns hinweist. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass das menschliche Gehirn flexible, Strategien basierend auf Wahrscheinlichkeiten nutzt, um eine sich ständig wandelnde Umwelt zu verstehen. Selbst auf der Ebene der einfachen Wahrnehmung agieren wir als anpassungsfähige Beobachter, die Stabilität und Veränderung geschickt austarieren - indem wir Vorerfahrungen nutzen, solange sie hilfreich sind, und sie rasch verwerfen, wenn die Welt sich ändert. Diese Erkenntnisse schaffen eine Grundlage dafür, wie unser Gehirn trotz ständiger Veränderung eine stabile Wahrnehmung aufrechterhält.