Hippocampal subfields support human novelty detection via distinct signals

Unser Gehirn wird ständig mit einem Strom neuer Sicht- und Hörreize bombardiert, und doch schafft es, das wirklich Neue vom bloß Vertrauten mit bemerkenswerter Geschwindigkeit zu unterscheiden. Diese Fähigkeit, Neuartigkeit zu erkennen, ist nicht nur ein kleiner Trick; sie ist ein grundlegender Überlebensmechanismus, der unserem Gedächtnissystem sagt, wann es besonders aufmerksam sein muss und wann es Informationen verblassen lassen kann. Jahrzehntelang glaubten Wissenschaftler, dass das primäre Werkzeug des Gehirns für diese Aufgabe eine Struktur tief im Temporallappen ist, die Hippocampus genannt wird. Stellen Sie sich den Hippocampus wie eine Bibliothek vor, in der wir unsere Lebenserfahrungen speichern. Die vorherrschende Theorie lautete, dass diese Bibliothek wie ein strenger Bibliothekar arbeitet, der jedes neue Buch gegen die bereits im Regal stehenden spezifischen Geschichten prüft. Wenn ein neues Buch eine bekannte Regel bricht oder einer gespeicherten Geschichte widerspricht, markiert der Bibliothekar es als Unstimmigkeit. Diese „relationale“ Prüfung wurde lange Zeit als der einzige Weg angesehen, wie das Gehirn etwas Neues erkennt.

Ein anderer Gedanke schwebte jedoch im Hintergrund der Gedächtniswissenschaft mit. Einige Theorien legen nahe, dass das Gehirn auch eine breitere, allgemeinere Prüfung durchführt. Anstatt ein neues Objekt mit einer spezifischen Geschichte zu vergleichen, schlägt diese Sichtweise vor, dass das Gehirn das neue Objekt mit der gesamten Sammlung von allem vergleicht, was es jemals gesehen hat. Wenn sich das neue Objekt ein wenig wie viele Dinge in der Sammlung anfühlt, fühlt es sich vertraut an. Wenn es sich anders anfühlt als der Großteil der Sammlung, fühlt es sich neu an. Bis jetzt war unklar, ob der menschliche Hippocampus tatsächlich diesen breiten, globalen Vergleich durchführt oder ob er strikt auf die Prüfung spezifischer Beziehungen beschränkt ist. Ein Team von Forschern unter der Leitung von Jörn Quent und Deniz Vatansever setzte sich zum Ziel, diese Frage zu klären, indem sie mit beispielloser Detailgenauigkeit in das menschliche Gehirn blickten.

Um dies zu beantworten, entwarfen die Forscher ein gewaltiges Experiment, das die Grenzen dessen verschob, was in der Bildgebung des Gehirns möglich ist. Sie rekrutierten zwanzig gesunde Erwachsene und ließen sie über fünf separate Tage hinweg eine kontinuierliche Erkennungsaufgabe durchführen. Insgesamt betrachteten die Teilnehmer 3.840 Bilder alltäglicher Objekte, wie etwa eines an einer Wand lehnenden Fahrrads oder einer bestimmten Vogelart, die nacheinander auf einem Bildschirm präsentiert wurden. Die Bilder stammten aus einer riesigen Datenbank, die Tausende von unterschiedlichen Konzepten enthielt. Bei jedem Durchgang musste die Teilnehmer schnell entscheiden, ob das Objekt neu war oder etwas, das sie im Verlauf des Experiments schon einmal gesehen hatten. Da die Bilder in einem komplexen Muster wiederholt wurden, aktualisierte das Gehirn der Teilnehmer ständig ein wachsendes Gedächtnis dessen, was es gesehen hatte, wodurch eine perfekte Umgebung entstand, um zu testen, wie das Gehirn das Neue vom Alten unterscheidet.

Das Team nutzte einen leistungsstarken 7-Tesla-MRT-Scanner, eine Maschine, die ein viel schärferes Bild des Gehirns liefert als Standard-Krankenhaus-Scanner. Diese hohe Auflösung ermöglichte es ihnen, den Hippocampus nicht als einen einzigen Klumpen Gewebe zu betrachten, sondern als eine Sammlung distinkter Subregionen, von denen jede ihre eigene Aufgabe hat. Sie konzentrierten sich auf spezifische Bereiche, die als CA1, CA3, der Gyrus dentatus und das Subiculum bekannt sind. Durch die Analyse der Aktivitätsmuster des Gehirns für jeden einzelnen der 76.800 Durchgänge über alle Teilnehmer hinweg konnten die Forscher verfolgen, wie diese winzigen Regionen auf neue Informationen reagierten. Sie suchten nach zwei verschiedenen Arten von Signalen: einem einfachen Aktivitätsschub, wenn etwas Neues erschien, und einem komplexeren Muster, das das aktuelle Bild mit der gesamten bisher gesehenen Geschichte verglich.

Die Ergebnisse offenbarten eine klare Arbeitsteilung innerhalb des Hippocampus, die die alte Sichtweise der „einen Geschichte“ infrage stellt. Die Forscher fanden heraus, dass die CA1-Region tatsächlich als Komparator fungierte, aber ihre Rolle spezifischer war als bisher angenommen. Wenn ein Teilnehmer ein Bild zum ersten Mal sah, zeigte CA1 eine starke Reaktion, die der Person half, es korrekt als neu zu identifizieren. Diese Region schien nach lokalen Unstimmigkeiten zu suchen, indem sie das aktuelle Bild vielleicht mit den jüngsten Erwartungen verglich. Die überraschendste Entdeckung kam jedoch aus einem anderen Teil des Hippocampus: dem Subiculum. Während das Subiculum nicht denselben starken, einfachen Aktivitätsschub wie die anderen Regionen zeigte, trug es ein anderes Signal. Es erzeugte einen „globalen Unstimmigkeitswert“. Dieses Signal maß, wie unterschiedlich sich das aktuelle Bild im Vergleich zu dem gesamten Pool der Bilder anfühlte, die der Teilnehmer bis zu diesem Zeitpunkt gesehen hatte.

Entscheidend war, dass dieses globale Signal im Subiculum nicht nur ein passives Abbild der Gehirnaktivität war; es beeinflusste direkt die Entscheidungen der Teilnehmer. Wenn das Subiculum eine hohe Unstimmigkeit signalisierte – was bedeutete, dass das neue Bild sich sehr von allem zuvor Gesehenen unterschied –, waren die Teilnehmer eher in der Lage, es korrekt als neu zu identifizieren. Umgekehrt, wenn das Signal niedrig war, was darauf hindeutete, dass das neue Objekt zu ähnlich zu vergangenen Erfahrungen war, neigten die Teilnehmer eher dazu, Fehler zu machen und fälschlicherweise zu behaupten, sie hätten das Objekt schon einmal gesehen. Dieser Fehler war nicht zufällig; er hatte einen Welleneffekt. Wenn ein Teilnehmer einen Fehlalarm auslöste, weil das globale Signal schwach war, war er wahrscheinlicher in der Lage, dieses Objekt später korrekt zu erinnern, wenn es erneut auftauchte. Dieses Muster deutet darauf hin, dass das Subiculum tatsächlich einen breiten Vergleich gegen den gesamten Gedächtnissatz durchführte und dass dieser Vergleich den Entscheidungsprozess steuerte.

Die Studie zeigte auch, dass dieses globale Signal empfindlich gegenüber der Art der gebildeten Erinnerungen war. Die Forscher fanden heraus, dass sich das Signal änderte, je nachdem, wie ähnlich das neue Bild den vorherigen in Bezug auf das visuelle Erscheinungsbild und die Bedeutung war. Wenn ein neues Bild visuell oder konzeptionell ähnlich zu Bildern war, die kürzlich gesehen wurden, sank das globale Unstimmigkeitssignal, was es schwieriger machte, es als neu zu erkennen. Dieser Effekt verblasste im Laufe der Zeit, was zeigt, dass der Sinn des Gehirns für Neuartigkeit dynamisch ist und ständig durch jüngste Erfahrungen neu geformt wird. Die Ergebnisse legen nahe, dass der Hippocampus nicht nur eine Maschine zur Prüfung spezifischer Beziehungen ist, sondern ein System, das ein breites Gefühl von Vertrautheit berechnet, indem es neue Eingaben gegen die gesamte Geschichte dessen abwägt, was wir gelernt haben.

Indem sie zwei verschiedene Signale identifizierten – eines lokal und relational in CA1 sowie eines global und objektbasiert im Subiculum –, bietet die Studie ein vollständigeres Bild davon, wie wir die Welt erkennen. Sie legt nahe, dass unsere Fähigkeit, Neuartigkeit zu entdecken, auf einer ausgeklügelten Partnerschaft zwischen verschiedenen Teilen des Gedächtnissystems beruht. Ein Teil prüft auf spezifische Widersprüche, während der andere das allgemeine Passen einer neuen Erfahrung in das kumulierte Vergangene misst. Diese Entdeckung verfeinert nicht nur eine wissenschaftliche Theorie; sie liefert eine klarere Karte der neuronalen Mechanismen, die es uns ermöglichen, in einer Welt zu navigieren, die sich ständig verändert, und hilft uns zu verstehen, wie wir entscheiden, was neu und was alt ist.