Wie reisende Gehirnwellen das Sehen ermöglichen

Neurowissenschaftler kommen zu dem Schluss, dass Wellen elektrischer Aktivität, die über das Gehirn hinwegziehen, die eigentliche Rechenarbeit des Sehens leisten. Nach Auffassung der Autoren setzen diese reisenden Gehirnwellen das Bild zusammen, das ein Mensch von der Welt wahrnimmt.

Damit rückt ein Signal, das lange Zeit übergangen wurde, ins Zentrum der Wahrnehmung. Zugleich wird plausibler, weshalb ein Objekt mitten im Blickfeld liegen und dennoch übersehen werden kann – je nachdem, wo sich eine Welle gerade befindet.

Gehirnwellen beim Sehen

Über viele Jahrzehnte galten solche Wellen als Eigenheit des narkotisierten Gehirns. Entsprechend nahmen Forschende meist an, dass sie verschwinden, sobald ein Tier wieder wach ist.

Diese Annahme hielt jedoch nicht stand: 2020 leitete der Neurowissenschaftler Dr. John Reynolds vom Salk Institute for Biological Studies das Team, das sie widerlegte.

Seine Gruppe beobachtete Wellen, die über den visuellen Kortex von Tieren liefen, die wach waren und Aufgaben bearbeiteten – also über jene Gewebeschicht im hinteren Teil des Gehirns, die für die Verarbeitung von Seheindrücken zuständig ist.

Bei den Tieren handelte es sich um Weißbüscheläffchen (Marmosetten), kleine Affen, die darauf trainiert waren, schwache Zielreize auf einem Bildschirm zu erkennen. Die Wellen entstanden spontan, ohne dass auf dem Monitor ein Auslöser vorhanden war. Sie bewegten sich mit weniger als zwei Fuss pro Sekunde (0,6 Meter pro Sekunde) fort – ungefähr so schnell wie ein Signal entlang einer nackten Nervenfaser.

Entscheidend war der Zeitpunkt: Die Position der Welle in dem Moment, in dem ein Zielreiz erschien, sagte voraus, ob das Tier angab, ihn gesehen zu haben. Damit wurden die Wellen von einem vermeintlichen Messartefakt zu einem Phänomen mit messbaren Folgen für das Verhalten.

Auf die Frage von Earth.com, was ihn daran am meisten überrascht habe, sagte Reynolds: „Wenn eine reisende Welle einen Bereich des visuellen Kortex in einen erregbareren Zustand versetzt, reagieren die Neuronen dort stärker auf ein schwaches visuelles Ziel, und dieses Ziel wird viel eher gesehen.“

Damit blieb allerdings die schwierigere Frage offen: Weshalb sollte ein Gehirn überhaupt den Aufwand betreiben, solche Wellen zu erzeugen?

Verschaltung hinter dem Sehen

Der Ansatz zur Antwort beginnt bei der Anatomie. Von allen Verbindungen, die einen Neuron im visuellen Kortex speisen, tragen nur rund 5 % Signale, die direkt von den Augen stammen.

Etwa 80 % der Eingänge kommen stattdessen über horizontale Verbindungen. Diese Fasern verlaufen seitlich und koppeln ein Neuron mit anderen Neuronen innerhalb derselben Gewebeschicht. Der grösste Teil dieser Eingänge stammt aus Zellen in einem kleinen, nahegelegenen Areal.

Solche seitlich verlaufenden Fasern sind langsam: Ein Signal braucht zu einer weiter entfernten Nachbarzelle länger als zu einer nahe gelegenen. Aus lokaler Verschaltung plus dieser Verzögerung ergibt sich bereits alles, was nötig ist, damit sich eine Welle ausbildet.

Der visuelle Kortex ist damit vor allem nicht einfach eine Pipeline, die Bilder nach „oben“ weiterleitet. Der Grossteil seiner Verdrahtung dient der internen Kommunikation – und von aussen betrachtet sind die Wellen die sichtbare Form dieses Austauschs.

Eine frühere Übersichtsarbeit, verfasst von mehreren der gleichen Autoren, führte vergleichbare Muster weit über das visuelle System hinaus auf.

Was die Wellen berechnen

Die neue Zusammenführung verbindet Biologie und Computermodellierung zu einer einheitlichen Darstellung – in dieser Form waren die Bausteine zuvor nicht zu einem Rahmen zusammengefügt worden. Darin werden den Wellen vier Aufgaben zugeschrieben.

Zwei davon betreffen die unmittelbare Gegenwart: Wellen modulieren die Wahrnehmung von Augenblick zu Augenblick, und sie integrieren jüngste Sinneseingänge zu einem inneren Bild der aktuellen Szene.

Die beiden weiteren Funktionen reichen über die Zeit hinaus: Wellen erzeugen kurzfristige Vorhersagen darüber, was als Nächstes passiert, und sie speichern sowie reaktivieren Sequenzen, die als Stellvertreter für Erinnerungen an Ereignisse dienen.

Die Vorhersage-These wurde in Simulationen bereits geprüft. In einer früheren Arbeit wurde ein Netzwerk konstruiert, das wie ein Kortex aufgebaut war – mit lokalen Verbindungen und Verzögerungen, die mit zunehmender Distanz grösser wurden. Ein Lichtblitz im Eingangsbereich löste eine Welle aus.

Software, die die Aktivität des Netzwerks analysierte, nachdem der Blitz bereits verschwunden war, konnte exakt rekonstruieren, wo und wann er aufgetaucht war. Wurden die seitlichen Verbindungen entfernt, fiel die Leistung auf Zufallsniveau. Wurden sie zufällig neu angeordnet, blieb zwar die zeitliche Information erhalten, aber der Ort ging verloren.

Nachdem das Netzwerk mit einem kurzen Film trainiert worden war, erzeugte es den restlichen Verlauf allein aus seiner eigenen Verdrahtung heraus. Es produzierte bis zu 100 zukünftige Bilder ohne zusätzliche Eingaben. Wenn man Verbindungen und Verzögerungen durcheinanderbrachte, verschwanden sowohl die Wellen als auch die Vorhersage.

In einer E-Mail an Earth.com sagte Reynolds: „Die neue Idee ist, dass diese Wellen selbst die Berechnung durchführen.“

Erfahrung formt das Sehen

Die Wellen erklären jedoch nur einen Teil. Die Verbindungen, die sie hervorbringen, verändern ihre Stärke mit der Nutzung – und genau dort, so argumentieren die Autoren, wird die Aussenwelt im System verankert.

Jede Wahrnehmung und jede Bewegung verschiebt diese Kopplungen ein wenig. Über Monate und Jahre hinweg übernimmt der Schaltkreis das, was die Welt verlässlich tut.

Objekte behalten ihre Form im dreidimensionalen Raum. Bilder wandern über die Netzhaut, sobald sie sich bewegt. Die Physik verhält sich heute so wie gestern. All das muss nicht immer wieder neu hergeleitet werden, wenn die Verschaltung es bereits voraussetzt.

Reynolds erklärte gegenüber Earth.com: „Du erlebst die Welt nie direkt. Dein Gehirn baut ein internes Modell der Welt, basierend auf Erfahrung, Erwartungen und sensorischer Evidenz.“

Er zieht dazu einen Vergleich mit grossen Sprachmodellen. Solche Systeme nehmen statistische Muster in Texten auf und erzeugen anschliessend Formulierungen, die diesen Mustern folgen.

Ein generatives Modell aus Hirngewebe würde Entsprechendes für das Sehen leisten: Es lässt die Welt „weiterlaufen“, statt nur unbewegte Bilder zu etikettieren.

Immer eine halbe Sekunde im Rückstand

Der praktische Einsatz steht besonders bei schnellen Vorgängen auf dem Spiel. Ein Pitch in der Major League legt 60 Fuss (18,3 Meter) in ungefähr 400 Millisekunden zurück.

Angenommen, das Gehirn braucht 150 Millisekunden, um den Ball zu sehen und zu berechnen, wohin er fliegt. In dieser Zeit hat der Ball bereits mehr als 22 Fuss (6,7 Meter) hinter sich.

Würde ein Schlagmann dorthin schwingen, wo der Ball gerade war, würde er ihn jedes Mal verfehlen. Wellen, die dem eintreffenden Signal vorauslaufen, sind ein möglicher Mechanismus, um diese Lücke zu schliessen.

Solche Wellen werden seit Jahrzehnten beschrieben, doch ihre Funktion blieb über weite Strecken umstritten. Die vorliegende Übersichtsarbeit formuliert nun eine konkrete Darstellung dessen, was sie berechnen und wie die Schaltkreise das umsetzen.

Die Theorie prüfen

Damit erhalten Modellierer etwas Greifbares für Tests. Lange behandelten Sehmodelle Nervenzellen als feste Detektoren, die jeweils auf „ihr“ Merkmal warten. Die Wellendynamik stellt stattdessen die seitliche Verdrahtung in den Mittelpunkt. Ausserdem ergeben sich überprüfbare Vorhersagen zu Wellengeschwindigkeit und räumlicher Ausdehnung.

Die Autoren konzentrierten sich auf das Sehen, weil dieser Sinn am besten kartiert ist. Doch dieselbe Art von Verschaltung zieht sich durch die gesamte äussere Schicht des Gehirns.

Im Gespräch mit Earth.com sagte Reynolds: „Eine übergeordnete Botschaft aus der Übersichtsarbeit ist, dass Dynamiken reisender Wellen nicht auf ein einzelnes Hirnareal oder eine einzelne Funktion beschränkt sind.“

Ähnliche Aktivität findet sich auch in Regionen, die Bewegung, Planung und Gedächtnis verarbeiten. Der nächste Schritt ist direkt: Forschende können gezielt bestimmte Wellenmuster bei wachen Tieren und Menschen stören und dann beobachten, wie sich das auf die Wahrnehmung auswirkt.