A Unified World Model in Human Posterior Parietal Cortex

Das menschliche Gehirn ist ein Meister der Vorhersage. Bevor Sie ein fallendes Glas auffangen, hat Ihr Verstand dessen Flugbahn, Geschwindigkeit und den exakten Moment, in dem es zersplittern wird, bereits berechnet. Bevor Sie nach einer Tasse greifen, haben Sie das Gewicht des Objekts und den erforderlichen Griff simuliert, um es anzuheben. Wissenschaftler vermuten schon lange, dass das Gehirn nicht bloß auf die Welt reagiert, wie sie erscheint, sondern ein internes, dynamisches Modell der physischen Realität aufrechterhält. Dieses „Weltmodell“ ist eine mentale Simulation, die es uns ermöglicht zu verstehen, wie Objekte interagieren, vorherzusehen, was als Nächstes passieren wird, und unsere eigenen Bewegungen innerhalb dieser sich entfaltenden Szene zu planen. Während Forscher im Bereich der künstlichen Intelligenz Jahrzehnte damit verbracht haben, solche Modelle in Maschinen einzubauen, blieb das Finden des biologischen Äquivalents im menschlichen Gehirn ein tiefgreifendes Rätsel. Die Frage ist nicht nur, ob wir die Zukunft vorhersagen können, sondern wo in dem riesigen Netzwerk unseres Geistes diese kontinuierliche, stille Berechnung stattfindet.

Ein Team von Forschern hat nun eine spezifische Region im menschlichen Gehirn identifiziert, die anscheinend als Hardware für dieses Weltmodell dient. Durch die Aufzeichnung elektrischer Aktivität direkt aus den Gehirnen von zwei Personen entdeckten sie, dass ein kleiner Cluster von Neuronen im oberen hinteren Teil des Gehirns, bekannt als der Sulcus intraparietalis bzw. das obere Parietal-Lappen (superiorer Parietallappen), drei verschiedene, aber miteinander verknüpfte Aufgaben gleichzeitig erfüllt. Diese Neuronen reagieren nicht nur auf das, was gerade geschieht; sie bauen ein physisches Verständnis einer Szene auf, sagen voraus, wie sich diese Szene verändern wird, und halten den Plan bereit für das, was die Person als Nächstes tun möchte. Die Ergebnisse legen nahe, dass das Gehirn nicht separate, isolierte Schaltkreise verwendet, um über Physik nachzudenken, die Zukunft zu erraten und Handlungen zu planen. Stattdessen nutzt es ein einheitliches System, in dem dieselben Zellen für alle drei Aufgaben verantwortlich sind.

Die Studie umfasste zwei Teilnehmer, bei denen winzige Elektroden-Arrays im Rahmen einer klinischen Studie implantiert worden waren, um die Bewegung nach Rückenmarksverletzungen wiederherzustellen. Diese Elektroden, jede so groß wie ein Sandkorn, wurden in den superioren Parietallappen platziert, eine Region, die in früheren Hirnscans bereits mit sowohl physischem Denken als auch Bewegungsplanung in Verbindung gebracht wurde. Die Forscher baten die Teilnehmer, eine Reihe von Aufgaben auszuführen, während die Elektroden die Entladungsmuster einzelner Neuronen aufzeichneten. In einer Aufgabe beobachteten die Teilnehmer Videos von Türmen aus Blöcken, die instabil aussah. Sie mussten entscheiden, ob der Turm nach links oder rechts fallen würde, oder lediglich die Anzahl der blauen gegenüber den gelben Blöcken zählen. In einer anderen Aufgabe sahen sie natürliche Videos von entweder physischen Ereignissen, wie einem Hammer, der einen Nagel treibt, oder sozialen Interaktionen, wie etwa Menschen, die lachen.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Neuronen in dieser Gehirnregion besonders aktiv wurden, wenn die Teilnehmer mit der physischen Welt beschäftigt waren. Wenn die Teilnehmer die Blocktürme oder die Videos von physischen Ereignissen betrachteten, feuerten die Neuronen viel heftiger als beim Beobachten der sozialen Videos oder beim einfachen Zählen der Farben. Diese Präferenz für physisches Denken war keine flüchtige Reaktion; dieselbe Gruppe von Neuronen, die auf die Blocktürme reagierte, reagierte auch auf die Videos von fallenden Dominosteinen oder rotierenden Kreiselobjekten. Die Forscher fanden heraus, dass diese Neuronen nicht nur auf den visuellen Input reagierten, sondern aktiv ein Modell der Szene konstruierten. Sie konnten den Unterschied zwischen einem stabilen und einem instabilen Turm erkennen und reagierten unterschiedlich auf einen Hammer, der einen Nagel schlägt, im Vergleich zu Menschen, die sich die Hände schütteln.

Entscheidend war, dass die Studie aufzeigte, dass diese Neuronen auch die Zukunft vorhersagten. In einem separaten Experiment beobachteten die Teilnehmer Videos von Objekten, die sich auf ein Ziel zubewegten. Manchmal traf das Objekt das Ziel, manchmal verfehlte es es. Die Forscher fanden heraus, dass die Neuronen bereits hunderte Millisekunden vor dem eigentlichen Aufprall begannen, anders zu feuern. Wenn das Objekt treffen würde, feuerten die Neuronen in einem spezifischen Muster, das sich deutlich von dem Muster unterschied, wenn das Objekt das Ziel verfehlen würde. Dies geschah sogar noch vor dem Kontakt des Obgels mit etwas, was darauf hindeutet, dass das Gehirn eine Simulation des Ergebnisses durchläuft. Bemerkenswerterweise generalisierte diese Vorhersagefähigkeit über verschiedene Szenarien hinweg; die Neuronen konnten eine Kollision vorhersagen, egal ob das Objekt auf dem Boden rollte oder durch die Luft flog, was auf ein tiefes Verständnis physikalischer Gesetze hindeutet und nicht bloß auf das Auswendiglernen spezifischer Videoclips.

Das letzte Puzzleteil war die Verbindung zur Handlung. Die Teilnehmer wurden gebeten, sich vorzustellen, eine von zwei Handlungen mit ihrer Hand auszuführen: entweder ein Objekt mit der Faust zu berühren oder einen Knopf mit den Fingern zu ziehen. Dieselben Neuronen, die mit dem Modellieren der Physik der Welt und dem Vorhersagen von Kollisionen beschäftigt waren, kodierten auch, welche Handlung die Person beabsichtigte auszuführen. Die Forscher fanden heraus, dass eine signifikante Anzahl einzelner Neuronen alle drei Aufgaben gleichzeitig erledigte: Sie bevorzugten Aufgaben des physischen Denkens, sagten Kollisionen bewegter Objekte vor dem Eintreten voraus und signalisierten die beabsichtigte Handbewegung der Person. Diese Konvergenz deutet darauf hin, dass das Gehirn diese Funktionen nicht in getrennten Kompartimenten hält. Stattdessen integriert dieselbe Population von Neuronen das Verständnis der physischen Welt, die Vorhersage ihres zukünftigen Zustands und die Planung unserer eigenen Handlungen in einen einzigen, kohärenten Prozess.

Die Forscher waren sorgfältig dabei, andere Erklärungen auszuschließen. Die Neuronen reagierten nicht einfach deshalb, weil die Aufgaben schwieriger waren oder die Teilnehmer mehr Aufmerksamkeit schenkten; die Kontrollaufgaben waren so konzipiert, dass sie gleichermaßen schwierig und anspruchsvoll waren, dennoch blieben die Neuronen ruhig. Sie reagierten auch nicht bloß auf die Anwesenheit menschlicher Körper oder intentionaler Bewegungen in den Videos, da die Neuronen stark auf physische Ereignisse reagierten, an bei denen überhaupt keine Menschen beteiligt waren. Die Ergebnisse waren über mehrere Sitzungen hinweg konsistent und hielten selbst unter Betrachtung der Aktivität einzelner Neuronen anstelle des Durchschnitts der Gruppe stand. Obwohl die Studie auf zwei Teilnehmer und eine kleine Region des Gehirns begrenzt war, deuten die Beweise auf ein einheitliches System im menschlichen superioren Parietallappen hin, das als Echtzeit-Simulator der physischen Welt fungiert und es uns ermöglicht, mit bemerkenswerter Geschwindigkeit und Präzision in unserer Umgebung zu navigieren, vorherzusagen und zu handeln.