Shared symmetry detection with divergent temporal dynamics in marmosets and humans

Symmetrie ist eine grundlegende Sprache der visuellen Welt, ein Muster, das unser Gehirn anscheinend darauf programmiert hat, es sofort zu erkennen. Es ist das Spiegelbild eines Gesichts, die balancierten Flügel eines Schmetterlings oder die sich wiederholenden Fliesen auf einem Boden. Seit Jahrzehnten wissen Wissenschaftler, dass das menschliche Gehirn ein spezielles Netzwerk besitzt, um diese Muster aufzuspüren, das in bestimmten Bereichen am Hinterkopf aufleuchtet, wenn wir sie sehen. Doch eine zentrale Frage in der Biologie unseres Denkens blieb unbeantwortet: Ist diese Fähigkeit eine besondere menschliche Erfindung oder ein gemeinsames Merkmal, das wir von unseren fernen primären Vorfahren geerbt haben? Um dies herauszufinden, mussten Forscher in die Gehirne anderer Primaten blicken, doch dies ohne invasive Chirurgie zu tun, war eine große Hürde. Während frühere Studien an Affen auf Hirnscans basierten, die den Blutfluss zeigten, konnten sie nicht den Bruchteil einer Sekunde entscheidenden elektrischen Rhythmus erfassen, mit dem das Gehirn ein Muster verarbeitet.

Ein Forschungsteam hat nun diese Lücke geschlossen, indem es untersuchte, wie Menschen und Totenkopfäffchen – eine kleine, neuweltliche Affenart – auf visuelle Symmetrie reagieren. Sie konzentrierten sich auf zwei verschiedene Arten von Mustern: Reflexion, die wie ein Spiegelbild ist, und Rotation, bei der sich eine Form drehend wiederholt. Durch den Einsatz einer nicht-invasiven Methode, die elektrische Signale von der Kopfhaut aufzeichnet, entdeckten sie, dass beide Arten die Fähigkeit zur schnellen, automatischen Erkennung von Spiegelsymmetrie teilen. Doch wenn es um Rotation ging, gingen die beiden Arten auseinander. Während das menschliche Gehirn eine stetige, anhaltende elektrische Reaktion auf rotierende Muster zeigte, reagierte das Gehirn der Totenkopfäffchen nur kurzzeitig, bevor es zur Ruhe kam. Dieser Befund deutet darauf sich hin, dass die grundlegende, schnelle Maschinerie zum Erkennen von Symmetrie uralt und über Arten hinweg gemeinsam ist, aber die komplexere, länger anhaltende Verarbeitung, die Menschen nutzen, um diese Muster vollständig auszuarbeiten, möglicherweise eine spätere Entwicklung darstellt.

Um diesen Vergleich anzustellen, mussten die Wissenschaftler eine erhebliche technische Herausforderung bewältigen: die Aufzeichnung klarer Gehirnsignale von einem Affen, ohne Operationen, die das Gehirn schädigen oder tägliche Elektrodenplatzierungen erfordern würden. Sie entwarfen ein maßgeschneidertes, flexibles Gitter aus zweiunddreißig winzigen Sensoren, das chirurgisch direkt an den Schädel von drei erwachsenen männlichen Totenkopfäffchen angebracht wurde. Dieses Gerät, das nur sechs Gramm wog, fungierte als permanentes Fenster in die elektrische Aktivität des Gehirns und ermöglichte es, die Tiere über viele Sitzungen hinweg wiederholt zu testen. Die Totenkopfäffchen wurden darauf trainiert, ruhig in einem Stuhl zu sitzen, während sie einen Bildschirm betrachteten, wobei sie für das Stillhalten mit einem Tropfen Saft belohnt wurden. Gleichzeitig beobachtete eine Gruppe von dreizehn menschlichen Freiwilligen exakt dieselben Bilder auf einem Bildschirm, während sie eine Standardkappe mit Sensoren trugen.

Die den beiden Gruppen gezeigten Bilder waren sorgfältig gestaltete Texturen, die auf mathematischen Regeln der Symmetrie basieren. Einige Muster wiederholten sich durch Selbstspiegelung entlang einer Linie, bekannt als Doppelreflexion. Andere wiederholten sich durch Rotation um einen Mittelpunkt, bekannt als vierzählige Rotation. Um sicherzustellen, dass das Gehirn auf die Symmetrie selbst reagierte und nicht nur auf zufällige Veränderungen im Bild, wechselten die Forscher diese symmetrischen Bilder mit verstümmelten Versionen ab, die zwar ähnlich aussahen, aber das Muster nicht besaßen. Sie maßen die Reaktion des Gehirns, indem sie nach einem rhythmischen elektrischen Impuls suchten, der der Geschwindigkeit entsprach, mit der die Bilder flackerten. Da das Gehirn unterschiedlich auf den Symmetrieteil des Bildes im Vergleich zur einfachen Veränderung des Bildes reagiert, konnten die Forscher die beiden Signale voneinander trennen.

Die Ergebnisse zeigten eine frappierende Ähnlichkeit darin, wie die beiden Arten mit Spiegelsymmetrie umgehen. Sowohl bei den Totenkopfäffchen als auch beim Menschen erzeugte das Gehirn ein starkes, stetiges elektrisches Signal, das so lange anhielt, wie das gespiegelte Muster auf dem Bildschirm zu sehen war. Dieses Signal war am Hinterkopf, in den visuellen Verarbeitungsbereichen, am stärksten, und sein Timing sowie seine Stärke waren über die Arten hinweg nahezu identisch. Dies deutet darauf hin, dass die Fähigkeit zur Erkennung von Reflexion ein konserviertes Merkmal ist, das sich wahrscheinlich vor hunderten von Millionen Jahren entwickelt hat, um Primaten dabei zu helfen, Gesichter, Körper und andere Lebewesen in ihrer Umgebung zu erkennen.

Doch die Geschichte änderte sich, als die Forscher die rotierenden Muster betrachteten. Während das menschliche Gehirn so lange mit einem stetigen elektrischen Rhythmus weiterschwingt, wie das rotierende Muster sichtbar ist, reagierte das Gehirn der Totenkopfäffchen anders. Die Gehirne der Affen feuerten ein kurzes, scharfes Signal ab, wenn das rotierende Muster erschien, aber dieses Signal verblasste schnell und ließ das Gehirn für den Rest der Zeit, in der das Bild zu sehen war, ruhig werden. Dieser Unterschied war spezifisch für die rotierenden Muster; die Spiegelmuster erzeugten bei den Affen immer noch die lang anhaltende, stetige Reaktion. Die Forscher schlossen die Möglichkeit aus, dass dies auf mangelnde Aufmerksamkeit oder Augenbewegungen der Affen zurückzuführen sei, da die Muster groß waren und die Augenbewegungen verfolgt und kontrolliert wurden.

Die Studie weist auf eine spezifische Divergenz in der Art und Weise hin, wie Primatengehirne visuelle Informationen verarbeiten. Die anfängliche, schnelle Erkennung von Symmetrie scheint ein gemeinsamer, vorwärts gerichteter Mechanismus zu sein, der in beiden Arten gleich funktioniert. Aber die Fähigkeit, eine anhaltende Repräsentation dieser Symmetrie aufrechtzuerhalten, insbesondere bei komplexeren Rotationen, scheint auf einer anderen Art von Gehirnaktivität zu beruhen, die beim Menschen robust, bei Totenkopfäffchen jedoch schwächer ausgeprägt ist. Diese anhaltende Aktivität beinhaltet wahrscheinlich Signale, die zwischen verschiedenen Teilen des Gehirns hin und her kreisen – ein Prozess, der in Totenkopfäffchen weniger entwickelt sein könnte als in Menschen oder deren nahen Verwandten, den Makaken.

Indem sie nachwiesen, dass Totenkopfäffchen zur Untersuchung dieser komplexen visuellen Prozesse mit der gleichen Präzision wie Menschen genutzt werden können, öffnet die Studie eine neue Tür für die Neurowissenschaften. Das Gehirn der Totenkopfäffchen ist glatt und zugänglich, im Gegensatz zu den gefalteten Gehirnen der Makaken, bei denen diese visuellen Areale tief im Inneren verborgen liegen. Dies bedeutet, dass Wissenschaftler in Zukunft diese Oberflächenaufzeichnungen mit direkten, tiefen Messungen innerhalb des Gehirns kombinieren können, um genau zu verstehen, wie diese Schaltkreise funktionieren. Die Ergebnisse bestätigen, dass wir zwar ein gemeinsames, uraltes Fundament für das Sehen von Symmetrie teilen, das menschliche Gehirn jedoch eine Ebene der anhaltenden Verarbeitung hinzugefügt hat, die es uns ermöglicht, diese Muster auf eine Weise festzuhalten und auszuarbeiten, wie es andere Primaten möglicherweise nicht können.