The Walking Brain: Mapping feature-specific cortical responses to naturally unfolding sensory experience in the real world
Diese Studie nutzt tragbare hochdichte fNIRS sowie teilnehmerspezifische audiovisuelle Aufzeichnungen, um ein merkmalsbasiertes Framework zu etablieren, das die kortikalen Antworten auf natürlich ablaufende Luminanz-, Ton- und Gesichtsmerkmale während des unbeschränkten Gehens in der realen Welt erfolgreich kartiert und vorhersagt.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Um zu verstehen, wie der menschliche Geist funktioniert, haben sich Wissenschaftler lange Zeit auf einen einfachen, aber einschränkenden Trick verlassen: Sie bitten Menschen, vollkommen still in einem ruhigen Raum zu sitzen und einen Film anzusehen oder einer Geschichte zuzuhören, während ihr Gehirn gescannt wird. Dieser Ansatz hat gezeigt, dass das Gehirn sich in spezifische Nachbarschaften organisiert, wobei verschiedene Bereiche für unterschiedliche Arten von Informationen, wie etwa Licht oder Ton, aufleuchten. Diese Laborumgebung entzieht dem Leben jedoch genau die Dinge, die es real machen: die Fähigkeit sich zu bewegen, die Freiheit, dorthin zu schauen, wo man möchte, und den chaotischen, ungeschriebenen Fluss der Außenwelt. Jahrzehntelang blieb es ein Rätsel, ob die ordentlichen, organisierten Karten der Welt im Gehirn bestehen bleiben, wenn eine Person tatsächlich eine belebte Straße entlangläuft, den Verkehr navigiert und auf Menschen und Geräusche trifft, die niemand für sie geplant hat.
Ein Team von Forschern der Boston University hat nun einen bedeutenden Schritt zur Beantwortung dieser Frage gemacht, indem sie den Gehirnscanner aus dem Labor auf die Straße gebracht haben. Mit einem tragbaren, rucksackgroßen Gerät, das den Blutfluss im Gehen misst, zeichneten sie die neuronale Aktivität von zwanzig Erwachsenen auf, während diese einer vordefinierten Route auf einem Universitätsgelände folgten. Im Gegensatz zu früheren Studien, bei denen die Teilnehmer angewiesen wurden, bestimmte Aufgaben auszuführen, konnten diese Spaziergänger in ihrem eigenen Tempo gehen und schauen, was immer ihre Aufmerksamkeit erregte, während eine an ihrem Kopf montierte Kamera genau aufzeichnete, was sie sahen und hörten. Die Forscher verglichen diese realen Gehirn-Karten dann mit jenen, die entstanden, als eine andere Gruppe von Menschen in einem kontrollierten Raum einen natürlichen Film ansah, unter Verwendung derselben Art von Bildgebungstechnologie.
Die Studie ergab, dass die Reaktion des Gehirns auf grundlegende sensorische Informationen überraschend stabil bleibt, selbst wenn die Umgebung unkontrolliert ist. Als die Forscher untersuchten, wie das Gehirn auf Veränderungen von Licht und Ton reagierte, sahen die Aktivitätskarten sehr ähnlich aus, egal ob die Person in einem dunklen Raum einen Film sah oder über einen sonnigen Campus spazierte. Insbesondere die Bereiche des Gehirns, die für die Verarbeitung von Helligkeit und Lautstärke verantwortlich sind, zeigten eine starke räumliche Entsprechung in beiden Settings. Dies deutet darauf hin, dass die grundleglle Hardware des Gehirns zur Handhabung von Licht und Ton robust genug ist, um konsistent zu funktionieren, unabhängig davon, ob die Erfahrung von einem Regisseur geschrieben oder natürlich auf einem Bürgersteig abläuft.
Die Geschichte änderte sich jedoch, als die Forscher untersuchten, wie das Gehirn auf Gesichter reagierte. Während das Gehirn während des Films ein konsistentes Muster für Gesichter zeigte, bei dem die Erzählung und die Kamerawinkel die Aufmerksamkeit lenkten, wurde das Muster während der Spaziergänge im Freien verstreut und unterschiedlich. Die Forscher vermuten, dass dies daran liegt, dass das Sehen eines Gesichts in einem Film oft Teil einer sozialen Geschichte oder eines spezifischen Handlungspunkts ist, während das Sehen eines Gesichts auf der Straße ein flüchtiges, selbstgesteuertes Ereignis ist, das andere Arten von Aufmerksamkeit oder soziale Verarbeitung auslösen kann. Dies deutet darauf hin, dass während die grundlegenden sensorischen Karten des Gehirns stabil sind, seine Reaktion auf komplexe soziale Signale wie Gesichter viel sensibler auf den Kontext und die Art und Weise reagiert, wie eine Person mit ihrer Umgebung interagiert.
Über die bloße Kartierung dieser Reaktionen hinaus testete das Team auch, ob sie vorhersagen können, was das Gehirn als Nächstes tun wird, allein basierend auf der Umgebung. Indem sie den Computer mit dem kontinuierlichen Strom von Licht-, Ton- und Bewegungsdaten speisten, die von den Kameras der Spaziergänger aufgezeichnet wurden, bauten sie ein Modell auf, das die Gehirnaktivität während eines Teils des Spaziergangs erraten konnte, den das Modell noch nie zuvor gesehen hatte. Das Modell war in der Lage, die hämodynamischen Signale des Gehirns mit einem statistisch signifikanten Maß an Genauigkeit vorherzusagen, was beweist, dass der kontinuierliche, ungeschriebene sensorische Input der realen Welt genügend Informationen enthält, um die neuronale Aktivität zu prognostizieren. Dieser Befund ist bemerkenswert, da er zeigt, dass selbst ohne ein vorab geplantes Skript die Reaktion des Gehirns auf die Welt einer vorhersagbaren Logik folgt, die aus der Umgebung selbst dekodiert werden kann.
Die Studie zeigte auch, dass diese Gehirn-Karten innerhalb derselben Person reproduzierbar sind. Als dieselben Personen die Route zweimal gingen, blieb die Reaktion ihres Gehirns auf Licht und Gesichter von einem Spaziergang zum nächsten konsistent, obwohl die spezifischen Menschen und Ereignisse, denen sie begegneten, jedes Mal andere waren. Dies deutet darauf hin, dass das Geрье eine stabile interne Repräsentation dessen aufrechterhält, wie es diese Merkmale verarbeitet, und somit als zuverlässiger Anker fungiert, selbst wenn sich die äußere Welt um sie herum verändert. Die Forscher stellten jedoch fest, dass diese Karten nicht bei allen Menschen identisch waren: Während Individuen eine Konsistenz mit sich selbst zeigten, variierten die spezifischen Muster zwischen den verschiedenen Walkern so stark, dass eine einzige „Durchschnittskarte“ nicht jeden genau beschreiben konnte. Dies unterstreicht, dass die Organisation des Gehirns für ein Individuum zwar stabil ist, die Art und Weise, wie jeder Mensch die Welt erlebt und verarbeitet, jedoch zutiefst persönlich bleibt.
Letztendlich bietet diese Forschung einen neuen Rahmen für die Untersuchung des Gehirns „in freier Wildbahn“. Durch die Kombination von tragbarer Bildgebung mit der Fähigkeit, die exakte sensorische Welt, die eine Person erlebt, zu rekonstruieren, können Wissenschaftler nun über die künstlichen Einschränkungen des Labors hinausgehen. Die Arbeit zeigt, dass die merkmalspezifische Organisation des Gehirns nicht nur ein Produkt kontrollierter Experimente ist, sondern eine fundamentale Eigenschaft der Art und Weise, wie wir unseren Alltag bewältigen. Sie bestätigt, dass die Fähigkeit des Gehirns, Licht und Ton zu verarbeiten, widerstandsfähig ist, während sein Umgang mit sozialen Signalen wie Gesichtern flexibel und kontextabhängig ist. Vor allem beweist sie, dass wir nun in der Lage sind, die Aktivität des Gehirns zu messen und zu verstehen, während sie in der realen Welt stattfindet, was die Tür zu einer Zukunft öffnet, in der die Neurowissenschaften die Komplexität der menschlichen Erfahrung wahrhaft erfassen können.
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