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Die Vorhersage von Ereignissen der Umwelt im Gehirn

Wie das Gehirn Ereignisse vorhersagt

17.01.2020 Beim Sport, beim Musizieren und in anderen Bereichen des täglichen Lebens muss das Gehirn wissen, wann Ereignisse eintreten, um schnell reagieren zu können. Doch wie kann der Mensch solche Ereignisse rechtzeitig vorhersehen?

Gemäß einer weit verbreiteten Hypothese schätzt das Gehirn die sogenannte Hazard Rate von Ereignissen ab. Dagegen konnte nun ein Team von Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für empirische Ästhetik zeigen, dass das Gehirn ein einfacheres und stabileres Modell seiner Umwelt verwendet, das auf dem Kehrwert der Ereigniswahrscheinlichkeit basiert.

Wie lernt das Gehirn, wann ein Ereignis wahrscheinlicher eintritt, und wie stellt es Wahrscheinlichkeiten über einen längeren Zeitraum hinweg dar? Der bisher wichtigste Mechanismus war die Berechnung der Hazard Rate: der Wahrscheinlichkeit mit der ein Ereignis kurz bevorsteht – vorausgesetzt, es ist noch nicht geschehen. In ihrem Artikel in der Zeitschrift Nature Communications zeigen Matthias Grabenhorst, Georgios Michalareas und weitere Forscher anhand von Verhaltensexperimenten, dass das Gehirn stattdessen eine viel einfachere Berechnung verwendet: Es schätzt lediglich den Kehrwert der Wahrscheinlichkeit.

Dies ist eine fundamentale Erkenntnis, die ein kanonisches Prinzip der Modellierung von Wahrscheinlichkeiten im Gehirn beleuchtet. Die enge Beziehung zwischen der reziproken Wahrscheinlichkeit und dem Shanon-Informationsgehalt (auch Surprisal genannt) deutet darauf hin, dass das Gehirn Wahrscheinlichkeiten tatsächlich als Information abbildet.

„Die Wahrscheinlichkeit selbst ist der grundlegende Parameter, den das Gehirn verwendet“, fasst Matthias Grabenhorst zusammen.

Ein zweites wichtiges Ergebnis dieser Arbeit betrifft die Unsicherheit bei der Schätzung der verstrichenen Zeit. Bisherige Forschungen haben gezeigt, dass die Unsicherheit der Schätzung des Gehirns umso größer ist, je länger die verstrichene Zeit ist. Grabenhorst, Michalareas und Kollegen zeigen auf, dass dieses Prinzip der monoton steigenden Unsicherheit mit der verstrichenen Zeit nicht immer gilt, sondern dass es tatsächlich die Wahrscheinlichkeitsverteilung von Ereignissen über einen Zeitraum ist, die bestimmt, wann die Unsicherheit am geringsten oder am größten ist.

Schließlich zeigen die Autoren der Studie, dass die zuvorgenannten Ergebnisse in drei verschiedenen Sinnesmodalitäten gelten: beim Sehen, Hören und in der Somatosensorik. Diese Gemeinsamkeit deutet entweder auf einen zentralen Mechanismus hin, der von allen drei Modalitäten genutzt wird, oder auf einen kanonischen peripheren Mechanismus, der in multiplen sensorischen Bereichen des Gehirns eingesetzt wird.
Quellenangabe: Max-Planck-Institut für empirische Ästhetik / Nature Communications – doi:10.1038/s41467-019-13849-0

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