Wie semantische Informationen im Gehirn organisiert sind

Visuelle und sprachliche semantische Repräsentationen sind an der Grenze des menschlichen visuellen Kortex aufeinander abgestimmt

05.01.2022 Das menschliche Gehirn speichert und organisiert bedeutsame Informationen in verschiedenen Regionen und Netzwerken. In früheren neurowissenschaftlichen Studien wurden zwar einige dieser Netze eingehend untersucht, doch die Beziehungen und Wechselwirkungen zwischen ihnen sind noch nicht völlig klar.

Forscher der University of California, Berkeley, haben kürzlich eine Studie durchgeführt, in der die Beziehung zwischen visuellen und sprachlichen semantischen Repräsentationen im Gehirn untersucht wurde. Ihre in Nature Neuroscience veröffentlichten Ergebnisse deuten darauf hin, dass visuelle und sprachliche semantische Informationen als einheitliche Karte im Gehirn organisiert sind, wobei sich die beiden Repräsentationen an der Grenze des visuellen Kortex treffen.

Die Rolle des amodalen semantischen Netzwerks

Ein wichtiges Subsystem im menschlichen Gehirn ist das amodale semantische Netzwerk, das die Inhalte des aktuellen Arbeitsgedächtnisses und der Aufmerksamkeit repräsentiert, sagt Studienautor Jack L. Gallant.

Amodale Wahrnehmung ist die Wahrnehmung der gesamten physischen Struktur, wenn nur Teile davon die sensorischen Rezeptoren beeinflussen. Beispielsweise wird ein Tisch als vollständige volumetrische Struktur wahrgenommen, selbst wenn nur ein Teil davon – die gegenüberliegende Oberfläche – auf die Netzhaut projiziert.

Das semantische Netzwerk dient als Schnittstelle zwischen den von den Wahrnehmungssystemen einströmenden Informationen und dem im Langzeitgedächtnis gespeicherten Wissen. Die Forscher wollten nun herausfinden, wie Wahrnehmungsinformationen in das amodale semantische Netzwerk gelangen.

Die Experimente

Gallant und seine Kollegen führten zwei verschiedene Experimente mit derselben Gruppe von Teilnehmern durch. Im ersten Experiment sollten die Teilnehmer sich Stummfilme ansehen, während sie im zweiten Experiment mündlich erzählte Geschichten hörten.

Um zu untersuchen, wie die Gehirne der Teilnehmer die dargebotenen Informationen verarbeiteten, verwendeten die Forscher die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT), ein bekanntes bildgebendes Verfahren, mit dem sich Muster in der Gehirnaktivität abbilden lassen. Anschließend analysierten sie die gesammelten Daten mit hochdimensionalen und hochauflösenden Computermodellierungsmethoden.

Sie fanden heraus, dass Wahrnehmungsinformationen über eine Reihe paralleler, semantisch selektiver Kanäle in das amodale semantische Netzwerk gelangen. Obwohl es sich um eine funktionelle Bildgebungsstudie handelte, deuten diese Kanäle des Informationsflusses darauf hin, dass dieses System als eine Reihe von semantisch-selektiven anatomischen Verbindungen implementiert ist.

Wie vorhergesagt, zeigten die von Gallant und seinen Kollegen gesammelten fMRT-Scans, dass während des Anguckens der Stummfilme ein bestimmtes Netzwerk von Bereichen im visuellen Kortex aktiviert wurde. Während sie den Geschichten zuhörten, wurde dagegen ein anderes Netzwerk von Bereichen aktiviert, die dem visuellen Kortex vorgelagert sind.

Visuelle und sprachliche Repräsentationen

Interessanterweise beobachteten die Forscher, dass die Aktivierungsmuster dieser beiden unterschiedlichen neuronalen Netzwerke entlang der Grenze des visuellen Kortex übereinstimmten. Mit anderen Worten: Die visuellen Kategorien, die auf der einen Seite der Grenze (innerhalb des visuellen Kortex) vertreten waren, wurden auf der anderen Seite der Grenze sprachlich repräsentiert.

Wie bereits erwähnt, repräsentiert das semantische Netzwerk die Inhalte des aktuellen Arbeitsgedächtnisses und der Aufmerksamkeit.

Viele kognitive Funktionen – wie Lernen, Reagieren auf unerwartete Ereignisse, Überwachen der Leistung, Planen für die Zukunft, Bewerten von Hinweisen, Treffen von Entscheidungen usw. – hängen vom semantischen Netzwerk ab, so Gallant. Viele neurologische Erkrankungen, die kognitive Funktionen oder das Lernen beeinträchtigen, können das semantische Netzwerk betreffen. Ein besseres Verständnis der anatomischen und funktionellen Organisation dieses Netzwerks würde daher wichtige Informationen für die Verbesserung der kognitiven Funktion bei gesunden Menschen und für die Behandlung von Problemen mit der kognitiven Funktion liefern.

Insgesamt deuten die Ergebnisse des Forscherteams darauf hin, dass visuelle und sprachliche semantische Netzwerke im Gehirn miteinander verbunden sind und eine einheitliche Karte bilden. Diese interessante Beobachtung könnte in Zukunft den Weg für neue Forschungen ebnen, die darauf abzielen, die Verbindungen zwischen verschiedenen semantischen Gehirnnetzwerken besser zu verstehen.

© Psylex.de – Quellenangabe: Nature Neuroscience (2021). DOI: 10.1038/s41593-021-00921-6

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