Engagement of motor and perceptual awareness when learning to reach with mirror reversed feedback

Das GPS des Gehirns und das Spiegelmaze

Stellen Sie sich vor, Ihr Gehirn wäre ein superintelligentes GPS, das Ihren Standort ständig aktualisiert, baslich darauf basiert, was Ihre Augen sehen. Normalerweise funktioniert dieses System perfekt: Sie greifen nach einer Tasse, Ihre Hand bewegt sich, und Ihre Augen bestätigen: „Ja, genau da ist meine Hand.“ Aber was passiert, wenn Sie eine Brille mit magischen Gläsern aufsetzen, die Ihr GPS austricksen? Wenn Sie nach rechts greifen, lassen die Brillen es so aussehen, als würde sich Ihre Hand nach links bewegen. Dies ist die Welt des motorischen Lernens, eines Zweigs der Wissenschaft, der untersucht, wie sich unser Gehirn anpasst, wenn sich die Regeln der Bewegung ändern.

Wissenschaftler wissen seit langem, dass unser Gehirn zwei Hauptwege hat, um diese Fehler zu beheben. Der erste ist das implizite Lernen, das wie ein unterbewusster Autopilot funktioniert. Es ist das Gefühl des „Muskelgedächtnisses“, das einsetzt, ohne dass man darüber nachdenkt, und das die Bewegungen langsam so anpasst, bis sie sich wieder richtig anfühlen. Der zweite Weg ist das explizite Lernen, die bewusste Strategie des „Ich muss darüber nachdenken“. Es ist wie das manuelle Überschreiben des GPS mit einer Regel: „Wenn der Bildschirm links anzeigt, muss ich tatsächlich nach rechts bewegen.“ Während wir wissen, wie diese Systeme funktionieren, wenn der Trick eine einfache Drehung ist (wie eine rotierte Karte), sind Wissenschaftler über eine spezielle Art von Trick namens Spiegelumkehrung gestübergangen. Bei einer Spiegelumkehrung wird die Welt nicht einfach nur gedreht; sie wird gespiegelt. Nach rechts greifen lässt den Cursor nach links wandern, und nach links greifen lässt ihn nach rechts wandern. Die große Frage war: Wenn man mit dieser verwirrenden Spiegelung konfrontiert ist, verlässt sich unser Gehirn dann auf den langsamen, unterbewussten Autopiloten oder wechselt es in den bewussten, regelbasierten Modus?

Das große Spiegel-Flip-Experiment

In dieser Studie bauten Forscher einen digitalen Hindernisparcours auf, um zu sehen, wie Menschen lernen zu greifen, wenn ihre Sicht wie bei einem Spiegel gespiegelt ist. Sie baten eine Gruppe von Freiwilligen, ihre Finger auf Ziele auf einem Bildschirm zu bewegen. Für einige Menschen funktionierte der Bildschirm normal. Für andere war der Bildschirm leicht verdreht (eine 20-Grad-Rotation), und für eine dritte Gruppe war der Bildschirm komplett in der Mitte gespiegelt (eine Spiegelumkehrung).

Die Forscher wollten zwei Dinge wissen: Erstens, ob die Menschen ihr bewusstes Gehirn (explizites Lernen) oder ihr unterbewusstes Muskelgedächtnis (implizites Lernen) benutzen, um das Problem zu lösen? Zweitens, ob sie, wenn sie die Korrektur für ein Ziel gelernt haben, diese Korrektur sofort auf ein völlig neues Ziel anwenden können, das sie noch nie gesehen haben.

Um dies herauszufinden, wandten sie geschickte Tricks an, um in die Köpfe der Freiwilligen zu blicken. Sie baten einige Leute, zu greifen, ohne auf ihre Hand zu schauen, und sagten ihnen, sie sollten „alles ignorieren, was sie gelernt haben“ (um das Unterbewusste zu testen). Sie baten andere, zu greifen, während sie „alles nutzen, was sie gelernt haben“ (um die bewusste Strategie zu testen). Sie baten die Teilnehmer auch, inne zu halten und mit einer Linie darauf zu zeigen, wohin sie beabsichtigten zu zielen, noch bevor sie ihre Hand bewegten (um den bewussten Plan zu testen).

Hier ist, was sie fanden:

Als der Bildschirm nur ein wenig verdreht war (die Rotationsgruppe), agierten die Gehirne der Freiwilligen wie ein lautloser Ninja. Sie lernten, die Ziele zu treffen, aber sie taten dies fast ausschließlich durch implizites Lernen. Sie schienen keinen bewussten Plan zu haben, und als die Forscher sie testeten, konnten sie nicht erklären, wie sie es machten. Schlimmer noch, dieses „Muskelgedächtnis“ war sehr wählerisch; es funktionierte nur für die spezifischen Ziele, die sie geübt hatten. Wenn ein neues Ziel erschien, wusste ihr Gehirn nicht, was zu tun sei.

Die Gruppe, die jedoch mit der Spiegelumkehrung konfrontiert war, war eine völlig andere Geschichte. Diese Freiwilligen verließen sich überhaupt nicht auf einen unterbewussten Autopiloten. Stattdessen beanspruchten sie ihr bewusstes Gehirn stark.

• Sie dachten darüber nach: Sie brauchten länger, um ihre Bewegungen zu beginnen (längere Reaktionszeiten), was darauf hindeutete, dass sie jede Bewegung aktiv planten.
• Sie hatten einen Plan: Als sie gebeten wurden, auf das zu zeigen, wohin sie zu zielen beabsichtigten, wussten sie genau, was zu tun war.
• Sie kannten die Regeln: Sie konnten ihre Strategie erklären und im Grunde sagen: „Ich muss mich entgegengesetzt zu dem bewegen, wohin ich eigentlich will.“

Der aufregendste Teil war die Generalisierung. Da die Gruppe der Spiegelumkehrung eine bewusste Regel verwendete („bewege dich entgegengesetzt“), konnten sie diese Regel sofort auf völlig neue Ziele anwenden, die sie noch nie zuvor gesehen hatten. Ihr Lernen war nicht auf einen Ort begrenzt; es war flexibel.

Die Forscher entdeckten auch ein faszinierendes Detail darüber, wie wir dieses Denken messen. Wenn sie die Spiegelumkehrungs-Gruppe nach ihrer bewussten Strategie fragten, hingen die Antworten davon ab, wie sie gefragt wurden. Wenn sie vor der Bewegung auf ihr Ziel zeigen mussten (ein perzeptueller Test), waren sie sehr genau. Aber wenn sie ihre Strategie beschreiben mussten, während sie sich tatsächlich bewegten (ein motorischer Test), waren sie etwas weniger präzise. Dies deutet darauf hin, dass unser „Denken über Bewegung“ und unser „Gefühl der Bewegung“ zwei leicht unterschiedliche Werkzeuge im Werkzeugkasten des Gehirns sind und nicht immer die exakt gleiche Antwort liefern.

Interessanterweise scheiterten einige wenige Personen in der Spiegelgruppe sogar ganz daran, die Aufgabe zu lernen. Die Forscher fanden heraus, dass diese „Nicht-Lerner“ tatsächlich eine bewusste Strategie hatten, aber ihre Strategie war einfach zu chaotisch und ungenau. Es lag nicht daran, dass sie nicht versuchten zu denken; es war lediglich, dass ihre „Regel“ zu vage war, um zu funktionieren. Dies deutet darauf hin, dass man bei Spiegelumkehrungen nicht nur bewusst sein muss, sondern präzise bewusst.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Studie nahelegt, dass unser Gehirn, wenn unsere Welt wie ein Spiegel gespiegelt ist, aufhört, sich auf das langsame, automatische Muskelgedächtnis zu verlassen, und stat zu einem klugen, bewussten Regelbefolger wechselt. Dieser bewusste Ansatz ist langsamer beim Start, aber viel flexibler, was es uns ermöglicht, Situationen sofort zu bewältigen. Es ist der Unterschied zwischen einem Roboter, der nur einen Pfad kennt, und einem Menschen, der die Karte versteht und einen Weg überall finden kann.