Wavelet Transform Coherence Under Controlled Temporal Correspondence and Social Co-Presence: Implications for fNIRS Hyperscanning

Menschen sind darauf programmiert, sich zu verbinden. Wenn wir einen Moment mit einem anderen Menschen teilen, sei es ein Gespräch, ein gemeinsames Lachen oder eine koordinierte Bewegung, fallen unsere Körper oft in den gleichen Rhythmus. Wir neigen uns vielleicht gleichzeitig nach vorne, passen unseren Atem an oder bewegen unsere Hände im gleichen Takt. Wissenschaftler nennen dies interpersonelle Synchronität – ein Phänomen, bei dem sich unser Verhalten und sogar unsere internen biologischen Rhythmen angleichen. In den letzten Jahren haben Forscher diese Beobachtung auf eine neue Ebene gehoben, indem sie in das Gehirn geschaut haben. Mit einer tragbaren Technologie, die den Blutfluss im Gehirn misst, können sie nun die neuronale Aktivität von zwei Personen gleichzeitig aufzeichnen, während diese interagieren. Dieser Ansatz, bekannt als Hyperscanning, hat gezeigt, dass die Gehirnwellen unserer Gehirne oft ebenfalls zu synchronisieren scheinen, wenn Menschen eine Verbindung herstellen. Doch eine entscheidende Frage bleibt: Passiert dieses Brain-to-Brain-Matching, weil die beiden Menschen sich wirklich gegenseitig beeinflussen, oder liegt es einfach daran, dass beide auf dieselbe Aufgabe oder Umgebung reagieren?

Um dies zu beantworten, entwarf ein Forschungsteam der Universität Trient in Italien ein sorgfältiges Experiment, um zu testen, wie wir diese Gehirnverbindung messen. Sie konzentrierten sich auf ein spezifisches mathematisches Werkzeug zum Vergleich von Gehirnsignalen, die sogenannte Wavelet-Transformations-Kohärenz. Dieses Werkzeug ist wie ein hochpräzises Lineal, das prüft, ob zwei Gehirnsignale über verschiedene Geschwindigkeiten hinweg zeitgleich verlaufen. Die Forscher wollten wissen, ob dieses Lineal zuverlässig einen Unterschied zwischen Signalen erkennen kann, die dazu bestimmt waren, übereinzustimmen, und Signalen, die dazu bestimmt waren, verschieden zu sein.ت Wichtiger noch, sie wollten sehen, ob die Anwesenheit eines anderen Menschen die Arbeitsweise des Gehirns veränderte und ob diese Veränderung die Messung selbst beeinflusste. Durch die Isolierung des Timings einer einfachen Aufgabe von der sozialen Erfahrung, sie mit einem Partner zu tun, entdeckten sie, dass die Art und Weise, wie wir Gehirnsynchronität messen, tief mit dem sozialen Kontext verwoben ist, in dem sie stattfindet.

Die Studie umfasste vierundvierzig Erwachsene, die in zweiundzwanzig Teams eingeteilt wurden. Jede Person trug eine Kappe, die mit Sensoren ausgestattet war, welche den Blutfluss in den motorischen Bereichen des Gehirns maß – jenen Regionen, die für die Steuerung von Bewegungen verantwortlich sind. Sie trugen außerdem Kopfhörer, um eine Serie von Pieptönen zu hören. Die Aufgabe war unkompliziert: Wann immer sie einen Ton hörten, tippten sie zehn Sekunden lang mit dem Finger auf eine Taste, und wenn der Ton aufhörte, blieben sie ruhig. Die Forscher erstellten ein spezifisches Muster aus Tönen und Stille, das in Blöcken wiederholt wurde. Einige Blöcke hatten dieselbe Zeitstruktur, während andere unterschiedliche Strukturen aufwiesen. Das Ziel war zu sehen, ob die Gehirnsignale aus passenden Blöcken ähnlicher aussah als die Signale aus nicht-passenden Blöcken.

Das Experiment fand in zwei unterschiedlichen Settings statt. Zuerlich führte jede Person die Tippaufgabe allein in einem ruhigen Raum aus. Später führten die Paare dieselbe Aufgabe gemeinsam aus, nebeneinander sitzend, wobei sie die Hände des anderen in Bewegung sehen konnten, aber angewiesen waren, nicht zu sprechen oder ihre Handlungen bewusst zu koordinieren. Dieser Aufbau ermöglichte es den Forschern, die Gehirnsignale derselben Person zu vergleichen, während sie die Aufgabe allein im Vergleich zur Ausführung mit einem Partner erledigte, sowie die Signale zwischen zwei verschiedenen Personen zu vergleichen, die die Aufgabe gemeinsam im Vergleich zur separaten Ausführung durchführten.

Die Ergebnisse zeichneten ein klares Bild davon, wie das Gehirn auf diese einfache motorische Aufgabe reagiert. Wenn die Menschen mit den Fingern tippten, leuchtete der Teil des Gehirns auf der gegenüberliegenden Seite des Körpers auf, der die Bewegung steuert, was genau das ist, was Wissenschaftler erwarten würden. Dies geschah sowohl allein als auch mit einem Partner. Es zeigte sich jedoch ein signifikanter Unterschied, wenn sie zusammen waren. Während der gemeinsamen Sitzung wurde auch der Teil des Gehirns aktiv, der auf der gleichen Seite wie die tippende Hand liegt. Dies deutet darauf hin, dass allein die Anwesenheit eines anderen Menschen, der dieselbe Aufgabe beobachtet, die Art und Weise verändert, wie das Gehirn die Bewegung implementiert, indem zusätzliche Bereiche rekrutiert werden, die ruhig bleiben, wenn wir alleine handeln.

Die überraschendsten Erkenntnisse ergaben sich aus der Analyse der Übereinstimmung der Gehirnsignale. Als die Forscher die Daten der Personen betrachteten, die die Aufgabe allein ausführten, versagte das Messwerkzeug dabei, zwischen den passenden und den nicht-passenden Blöcken zu unterscheiden. Obwohl das Timing der Taps streng kontrolliert war und verschiedene Blöcke unterschiedliche Strukturen aufwiesen, zeigten die Gehirnsignale kein klares Muster der Ähnlichkeit, das das Werkzeug hätte erkennen können. Die Signale waren zu variabel, um den Unterschied festzustellen.

Die Geschichte änderte sich völlig, als die Teilnehmer die Aufgabe gemeinsam ausführten. In der gemeinsamen Sitzung identifizierte das Messwerkzeug die passenden Blöcke erfolgreich. Die Gehirnsignale aus Zeiträumen mit derselben Zeitstruktur zeigten eine viel stärkere Verbindung als jene mit unterschiedlichen Strukturen. Dieser Effekt war in den motorischen Regionen des Gehirns am stärksten. Entscheidend war, dass diese Verbesserung der Detektionsfähigkeit nicht nur zwischen den beiden Menschen auftrat, sondern auch innerhalb derselben Person. Wenn ein einzelnes Individuum die Aufgabe in Anwesenheit eines Partners ausführte, wurden seine eigenen Gehirnsignale konsistenter und leichter mit anderen ähnlichen Blöcken abgleichbar.

Dieser Befund stellt die Idee infrage, dass Gehirnsynchronität ein einfaches, kontextunabhängiges Maß für Verbindung ist. Die Forscher fanden heraus, dass die soziale Präsenz eines Partners die Natur der individuellen Gehirnsignale selbst veränderte. Die Anwesenheit des Partners schien die Reaktion des Gehirns auf die Aufgabe konsistenter und organisierter zu machen. Folglich wurde das Werkzeug zur Messung der Synchronität wesentlich empfindlicher. Es war nicht so, dass die beiden Menschen plötzlich auf eine „magische“ Weise „synchronisierten“, die vorher nicht existierte; vielmehr veränderte der soziale Kontext die individuellen Signale selbst, wodurch die zugrunde liegenden zeitlichen Muster sichtbarer wurden für die Messung.

Die Studie untersuchte auch, wie gut das Werkzeug beim Vergleich zweier verschiedener Personen funktionierte. Als die Partner getrennt getestet wurden, fand das Werkzeug kaum Belege dafür, dass ihre Gehirnsignale basierend auf der Aufgabenstruktur übereinstimmten. Als sie die Aufgabe jedoch gemeinsam ausführten, detektierte das Werkzeug eine klare Zunahme der übereinstimmenden Signale, insbesondere in den motorischen Bereichen. Dies bestätigt, dass zwar gemeinsame Aufgaben eine gewisse Ähnlichkeit in der Gehirnaktivität erzeugen können, der Akt des Zusammenseins im selben Raum diesen Effekt jedoch signifikant verstärkt.

Diese Ergebnisse legen nahe, dass wir, wenn wir zwei Gehirne in Synchronität sehen, nicht davon ausgehen können, dass dies ausschließlich das Ergebnis einer tiefen zwischenmenschlichen Bindung oder einer direkten neuronalen Verbindung ist. Das soziale Umfeld selbst formt die Signale. Die Anwesenheit einer anderen Person kann verändern, wie das Gehirn eines Einzelnen eine Aufgabe verarbeitet, was die Signale konsistenter und leichter als synchron erkennbar macht. Dies bedeutet, dass Maße der Gehirnsynchronität nicht nur ein Fenster in den Raum zwischen zwei Menschen sind, sondern auch ein Spiegelbild dessen, wie das Gehirn jedes Einzelnen in diesem spezifischen sozialen Moment funktioniert.

Die Forscher kommen zu dem Schluss, dass die Werkzeuge, die zur Messung der Gehirnverbindung eingesetzt werden, mit Vorsicht interpretiert werden müssen. Sie sind keine neutralen Lineale, die unabhängig von der Situation die gleiche Messung liefern. Stattdessen sind sie sensibel für den funktionalen und sozialen Kontext, in dem das Gehirn arbeitet. Die Studie zeigt, dass die soziale Co-Präsenz die temporalen Dynamiken individueller neuronaler Signale verändern kann, was effektiv das „Rohmaterial“ verändert, auf dem Synchronitätsmetriken aufgebaut sind. Diese Erkenntnis ist entscheidend für das Verständnis menschlicher Interaktion und erinnert uns daran, dass das Gehirn nicht im Vakuum operiert. Wenn wir uns mit anderen verbinden, synchronisieren sich unsere Gehirne nicht nur; sie verändern sich. Der reine Akt des Zusammenseins formt die neuronale Landschaft neu und schafft ein kohärenteres und synchronisiertes Signal, das die Komplexität der geteilten menschlichen Erfahrung widerspiegelt.