Distinct and shared neural resources between processing of dynamic physical objects and spatial working memory

Das Schweizer Taschenmesser des Gehirns vs. das spezialisierte Werkzeug

Stellen Sie sich vor, Ihr Gehirn sei eine geschäftige Stadt. In dieser Stadt gibt es spezialisierte Bezirke, die bestimmten Aufgaben gewidmet sind: ein „Musikbezirk“ für das Hören von Melodien, ein „Sprachbezirk“ für das Verstehen von Worten und ein „Visueller Bezirk“ für das Sehen von Farben. Aber es gibt auch ein allgemeines „Stadtzentrum“, den sogenannten frontoparietalen Kortex, der immer dann aufleuchtet, wenn Sie vor einer schwierigen Herausforderung stehen – egal, ob Sie ein Matheproblem lösen, sich selbst daran hindern, einen roten Knopf zu drücken, oder sich eine Telefonnummer merken. Wissenschaftler fragen sich schon lange nach der Beziehung zwischen diesem geschäftigen Stadtzentrum und den spezialisierten Bezirken. Gibt es zum Beispiel einen speziellen „Physik-Bezirk“ im Gehirn, der nur dafür zuständig ist, zu verstehen, wie sich Objekte bewegen, zusammenstoßen und fallen? Oder erledigt dasselbe Stadtzentrum einfach Doppelschichten und bewältigt sowohl komplexe Physikprobleme als auch allgemeine mentale Gymnastik?

Um dies zu verstehen, müssen wir zwei Dinge wissen. Erstens ist intuitive Physik die natürliche Fähigkeit, die wir alle besitzen, um zu erahnen, wie die Welt funktioniert – wie zum Beispiel zu wissen, dass ein Turm aus Bauklötzen umkippt, wenn man den unteren Block wegstößt, oder dass ein Ball von einer Wand abprallt. Zweitens ist das räumliche Arbeitsgedächtnis der mentale Klebezettel, den wir verwenden, um einen Ort in unserem Geist festzuhalten, wie etwa das Erinnern daran, wo man sein Fahrrad geparkt hat oder das Verfolgen eines Freundes in einem überfüllten Raum. Die große Frage lautet: Nutzt das Gehirn ein einzigartiges, dediziertes Team von Neuronen nur für die Physik, oder rekrutiert es dasselbe allgemeine „hart arbeitende“ Team, das alle schwierigen Aufgaben bewältigt? Wenn es dasselbe Team ist, dann bedeutet, gut in Physik zu sein, vielleicht nur, dass man eine wirklich starke allgemeine Aufmerksamkeitsspanne hat. Wenn es ein einzigartiges Team ist, dann ist Physik eine ganz eigene, spezielle Fähigkeit.

Die Doppelschicht des Gehirns

In dieser Studie beschlossen die Forscher Samuel Maione und Shari Liu von der Johns Hopkins University, ein Spiel namens „Unterschiede finden“ im Gehirn von 28 Erwachsenen zu spielen. Sie wollten sehen, ob die Hirnregionen, die gerne über physische Objekte nachdenken (wie Billardkugeln, die abprallen), exakt dieselben Regionen sind, die gerne schwierige Gedächtnisrätsel lösen.

Sie brachten die Teilnehmer in ein MRT-Gerät und gaben ihnen zwei Hauptaufgaben. Zuerst zeigten sie Videos von bewegten Punkten. Manchmal verhielten sich die Punkte wie physische Objekte (sie prallten wie Billardkugeln von Wänden ab), und manchmal verhielten sie sich wie soziale Akteure (sie jagten einander wie Freunde). Die Teilnehmer mussten verfolgen, wohin die Punkte gehen würden, wenn sie für einen Moment verschwänden. Zweitens spielten sie ein räumliches Arbeitsgedächtnisspiel. Die Teilnehmer sahen ein Gitter, in dem blaue Quadrate erschienen. In der „einfachen“ Version leuchteten nur wenige Quadrate auf. In der „schweren“ Version leuchteten viele Quadrate auf, und die Teilnehmer mussten sich genau merken, wo sie waren.

Die Forscher verwendeten einen cleveren Trick namens „funktionelle Regionen von Interesse“ (fROIs). Stellen Sie sich das wie das Finden der spezifischen Stadtviertel in der Gehirnstadt vor, die für jede Aufgabe am meisten aufleuchten. Sie fanden das „Physische Viertel“ (die Stellen, die die Billardkugel-Videos lieber mochten als die sozialen Videos) und das „Hart-Arbeiten-Viertel“ (die Stellen, die das schwierige Gedächtnisspiel lieber mochten als das einfache).

Hier ist, was sie entdeckten, und es ist ein kleiner Wendepunkt in der Handlung:

1. Die Viertel überschneiden sich, aber nicht perfekt
Das „Physische Viertel“ und das „Hart-Arbeiten-Viertel“ sind Nachbarn. Sie teilen sich einige Straßen. Etwa ein Viertel der Gehirnzellen in diesen Gebieten gehört zu beiden Vierteln. Dies deutet darauf hin, dass das Gehirn nicht völlig getrennte Teams für diese Aufgaben hat; sie liegen direkt nebeneinander und arbeiten manchmal zusammen.

2. Die Einbahnstraße
Hier wird es interessant. Die Forscher fanden eine seltsame Asymmetrie.

• Das Hart-Arbeiten-Viertel (die Stellen, die normalerweise schwierige Aufgaben bewältigen) schien sich nicht groß darum zu kümmern, ob die Aufgabe die Physik oder soziale Akteure betraf. Es leuchtete einfach auf, weil die Aufgabe schwierig war.
• Das Physische Viertel (die Stellen, die normalerweise Physik lieben) leuchtete jedoch stark auf, als die Teilnehmer das schwere Gedächtnisspiel spielten. Tatsächlich arbeiteten diese „physikliebenden“ Zellen beim Gedächtnisspiel genauso hart wie beim Physikspiel.

Es ist, als würde man eine spezialisierte Bäckerei finden, die auch der beste Ort ist, um eine Tasse Kaffee zu bekommen, aber der Coffeeshop nebenan backt eigentlich kein Brot. Die „Physik“-Zellen sind vielseitig; sie sind gerne bei der Physik dabei, aber sie sind auch gerne bei schwierigen räumlichen Gedächtnisaufgaben dabei. Die „Hart-Arbeiten“-Zellen hingegen sind weniger wählerisch in Bezug auf das Thema und wollen einfach nur eine Herausforderung.

3. Das Vorhersagespiel
Die Forscher untersuchten dann individuelle Unterschiede. Sie fragten: „Wenn eine Person superaktive ‚Physik‘-Zellen hat, ist sie dann besser im Gedächtnisspiel?“
Die Antwort war ein klares Ja. Menschen, deren „Physisches Viertel“ während des schweren Gedächtnisspiels am stärksten aufleuchtete, waren auch am genauesten darin, die Positionen der Quadrate zu erinnern.
Überraschenderweise galt dies nicht umgekehrt. Dass jemand superaktive „Hart-Arbeiten-Viertel“-Zellen hatte, machte ihn nicht zwangsläufig besser im Gedächtnisspiel. Es war spezifisch die Aktivität in den „physikliebenden“ Zellen, die vorhersagte, wer gut im räumlichen Rätsel war.

Was dies bedeutet (und was es nicht bedeutet)

Die Studie legt nahe, dass die Hirnregionen, die wir nutzen, um die physische Welt zu verstehen, keine isolierten Spezialisten sind. Sie sind auch stark an der allgemeinen räumlichen Aufmerksamkeit und an anspruchsvollen Aufgaben beteiligt. Die Autoren deuten an, dass diese Regionen ein Hybrid sein könnten: Sie sind spezialisiert genug, um Physik zu handhaben, aber sie werden auch für andere harte Jobs rekrutiert, insbesondere solche, die mit Raum und Ort zu tun haben.

Die Autoren sind jedoch vorsichtig damit zu behaupten, dass dies die einzige Art und Weise ist, wie das Gehirn arbeitet. Die Forscher merkten an, dass, obwohl die „Physik“-Zellen beim Gedächtnisspiel halfen, die „Hart-Arbeiten“-Zellen nicht dazu neigten, vorherzusagen, wer gut im Gedächtnisspiel war. Dies deutet darauf darauf hin, dass das Netzwerk für physikalisches Denken zwar an räumlichen Aufgaben beteiligt ist, aber nicht die ganze Geschichte erzählt.

Außerdem konnten die Forscher nicht testen, ob diese Gehirnmuster vorhersagten, wer gut im Physikspiel selbst war. Warum? Weil der Test für das Physikspiel etwas „verrauscht“ war – die Ergebnisse der Menschen variierten zu stark, um eine klare Linie zwischen Gehirnaktivität und Geschicklichkeit zu ziehen. Wir wissen also, dass die „Physik“-Zellen beim Gedächtnis helfen, aber wir wissen noch nicht, ob sie das Geheimrezept für ein Physikgenie sind.

Kurz gesagt: Das „Physik-Team“ des Gehirns ist auch ein „Räumliches Gedächtnis-Team“. Es ist dieselbe Gruppe von Arbeitern, die nur je nach Aufgabe einen anderen Hut trägt. Aber das „Hart-Arbeiten-Team“ ist etwas generischer und taucht bei jeder schwierigen Herausforderung auf, ohne einen zwangsläufig zum Meister dieser spezifischen Herausforderung zu machen. Diese Studie legt nahe, dass unsere Fähigkeit, die physische Welt zu verstehen, und unsere Fähigkeit, den Raum in unserem Geist festzuhalten, tief miteinander verwoben sind und dieselbe neuronale Infrastruktur teilen.