Wie das Gehirn lernt, mit Überraschungen umzugehen

Für Kinder ist die Welt voller Überraschungen. Erwachsene hingegen sind viel schwieriger zu überraschen. Und hinter diesem scheinbar einfachen Sachverhalt stecken komplexe Prozesse. Forscher der Universität Basel haben an Mäusen entschlüsselt, wie sich im wachsenden Gehirn Reaktionen auf Unerwartetes entwickeln.

Babys lieben es, Guck-Guck zu spielen, und reagieren auch dann noch, wenn ihr Partner zum zehnten Mal plötzlich im Spiel auftaucht. Das Erkennen des Unerwarteten ist eine wichtige kognitive Fähigkeit. Denn neu kann auch gefährlich bedeuten.

Die genaue Art und Weise, wie Überraschungen im Gehirn verarbeitet werden, verändert sich jedoch mit zunehmendem Alter: Ungewöhnliche Reize werden viel schneller als „wichtig“ oder „uninteressant“ eingestuft und sind beim zweiten und dritten Mal deutlich weniger überraschend. Diese gesteigerte Effizienz macht durchaus Sinn: Neue Reize erregen zwar unsere Aufmerksamkeit, lösen aber keine unnötig starke Reaktion aus, die uns Energie kostet. Auch wenn dies auf den ersten Blick trivial erscheinen mag, ist dieser Sachverhalt im Zusammenhang mit der Gehirnentwicklung bislang kaum erforscht.

Experimente mit jungen Mäusen des Forschungsteams von Professorin Tania Barkat haben nun begonnen zu entschlüsseln, wie das sich entwickelnde Gehirn überraschende Geräusche verarbeitet und was sich im Laufe unseres Erwachsenwerdens verändert. Über ihre Ergebnisse haben die Forscher im Fachjournal berichtet Wissenschaftliche Fortschritte.

Seltsame Geräusche

In ihren Experimenten verwendeten die Forscher Tonsequenzen, bei denen in unregelmäßigen Abständen zwischen einer Reihe identischer Töne ein anderer Ton zu hören war. Gleichzeitig zeichneten sie die Gehirnströme der Tiere auf. Dieser Prozess ist als „Oddball-Paradigma“ bekannt und wird von Angehörigen der Gesundheitsberufe beispielsweise für die Diagnose von Schizophrenie eingesetzt.

Anhand dieser Messungen konnten die Forscher verstehen, wie sich die Reaktion verschiedener Gehirnregionen auf die Tonusveränderung im Laufe der Zeit bei den jungen Mäusen entwickelte. Diese Reaktion war zunächst sehr stark, nahm jedoch mit zunehmender Reifung der relevanten Gehirnregion auf ein Niveau ab, das mit dem von Messungen bei erwachsenen Tieren vergleichbar war. Allerdings findet diese Entwicklung nicht gleichzeitig in den verschiedenen Bereichen des Gehirns statt, die Schall verarbeiten.

Eine Region namens Colliculus inferior, die sich am Anfang des Weges vom Hörnerv zur Hörrinde befindet, war bei den Tieren bereits im Alter von 20 Tagen, dem frühesten vom Team untersuchten Zeitpunkt, vollständig ausgereift. Eine zweite Stelle, der auditorische Thalamus, zeigte erst im Alter von 30 Tagen eine „erwachsene“ Reaktion auf den unterschiedlichen Ton.

Die Entwicklung in der Großhirnrinde selbst, der „primären Hörrinde“, dauerte sogar noch länger, bis zum 50. Tag. „Diese Entwicklung der Überraschungsreaktion beginnt also in der Peripherie und endet in der Großhirnrinde“, sagt Studienleiterin Tania Barkat. Die Großhirnrinde reift daher viel später als erwartet heran – in Menschenjahren entspricht dies etwa Anfang 20.

Keine Entwicklung ohne Erfahrung

Die Forscher beobachteten auch, dass Erfahrungen eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung der Überraschungsreaktion in der Großhirnrinde spielen. Wurden die Mäuse in einer geräuschneutralen Umgebung aufgezogen, verzögerte sich die Verarbeitung unerwarteter Geräusche im auditorischen Kortex deutlich.

Eine mögliche Erklärung hierfür ist, dass sich das Gehirn – und insbesondere die Großhirnrinde – während des Wachstums ein inneres Bild der Welt bildet, das es dann mit äußeren Reizen vergleicht. Alles, was nicht dieser „Weltanschauung“ entspricht, ist eine Überraschung, kann aber auch ein Update nach sich ziehen.

„Ohne Erfahrung mit Geräuschen ist die Großhirnrinde dieser Mäuse jedoch nicht in der Lage, ein solches Weltmodell zu entwickeln“, sagt Neurowissenschaftler Barkat. Dadurch ist das Tier nicht in der Lage, Geräusche richtig in „vertraut“ und „unerwartet“ einzuteilen.