Strategy-dependent causal relationships between large-scale cortical activity and perceptual decisions

Jeden Tag steht ein Tier vor einer einfachen, aber entscheidenden Frage: In welche Richtung soll ich gehen? Um dies zu beantworten, muss es Hinweise aus der Welt um sich herum sammeln, diese gegen das abwägen, was es gelernt hat, und eine Entscheidung treffen. Jahrzehntelang gingen Wissenschaftler, die diese Entscheidungen untersuchten, oft davon aus, dass das Gehirn wie eine einzige, stetige Maschine arbeitet, die Informationen jedes Mal auf die gleiche Weise verarbeitet, wenn eine Entscheidung getroffen wird. In Wirklichkeit ist der Geist jedoch viel fließender. Genau wie ein Mensch manchmal intensiv auf ein Rätsel konzentriert sein kann und ein anderes Mal auf ein Bauchgefühl oder eine Gewohnheit vertraut, wechseln Tiere zwischen verschiedenen internen Strategien ab, um dasselbe Problem zu lösen. Manchmal folgen sie sorgfältig den Beweisen; ein anderes Mal verfallen sie in ein Muster, bei dem sie eine Seite gegenüber der anderen bevorzugen, ungeachtet der Hinweise. Die große Frage war: Ändert das Gehirn seine Verschaltung, um diese verschiedenen Denkmodi zu unterstützen, und wenn ja, welche Teile des Gehirns sind dafür verantwortlich, das Tier auf dem richtigen Weg zu halten?

Ein Forschungsteam setzte sich zum Ziel, diese verborgene Landschaft der Entscheidungsfindung im Mäusegehirn zu kartieren. Sie widmeten ihre Aufmerksamkeit einer spezifischen Aufgabe, bei der Mäuse in einem virtuellen T-förmigen Labyrinth navigieren. Während die Mäuse vorwärts laufen, sehen sie eine Serie von visuellen Türmen, die entweder auf der linken oder rechten Seite des Pfades erscheinen. Das Ziel ist einfach: sich zu merken, auf welcher Seite mehr Türme waren, und sich in diese Richtung zu wenden, um eine Belohnung zu erhalten. Die Forscher sammelten Daten von Dutzenden von Mäusen und beobachteten sie bei der Durchführung dieser Aufgabe über Tausende von Versuchen hinweg. Um zu verstehen, wie das Gehirn arbeitet, beobachteten sie nicht nur die Mäuse; sie verwendeten auch eine Technik namens Optogenetik. Diese Methode ermöglicht es Wissenschaftlern, bestimmte Gruppen von Gehirnzellen mit einem Lichtblitz vorübergehend stummzuschalten, was effektiv einem Ausschalten eines Schalters im Gehirn gleichkommt, um zu sehen, was passiert, wenn dieser Teil aufhört zu arbeiten. Durch die Kombination dieser lichtbasierten Unterbrechungen mit Aufzeichnungen der Gehirnaktivität konnte das Team testen, wie verschiedene Hirnregionen zum Entscheidungsprozess beitragen.

Der erste Schritt bestand darin, herauszufinden, welche Art des Denkens die Mäuse in jedem gegebenen Moment vollzogen. Die Forscher analysierten die Entscheidungen, die die Mäuse trafen, wenn sie nicht durch das Licht unterbrochen wurden. Sie entdeckten, dass die Mäuse nicht nur eine feste Strategie verwendeten. Stattdessen drifteten sie zwischen drei verschiedenen mentalen Zuständen hin und her. Im ersten Zustand waren die Mäuse voll engagiert, zahlten den Türmen große Aufmerksamkeit und ließen sich von den Beweisen leiten. In den anderen zwei Zuständen waren die Mäuse desinteressiert. In diesen Momenten ignorierten sie die Türme weitgehend und entwickelten stattdessen eine starke Gewohnheit, entweder nach links oder rechts zu biegen, ungeachtet dessen, was sie sahen. Diese Zustände waren nicht flüchtig; sobald eine Maus einen betrat, neigte sie dazu, dort für viele Runden hintereinander zu bleiben, manchmal für mehr als dreißig Versuche. Dieser Befund bestätigte, dass das Gehirn nicht nur Daten verarbeitet, sondern verschiedene Betriebsmodi annimmt, die über längere Zeit bestehen bleiben.

Nachdem diese drei Zustände identifiziert worden waren, fragten die Forscher, was geschah, wenn sie verschiedene Teile des Gehirns ausschalteten. Sie zielten auf Dutzende von Stellen auf der Oberseite des Gehirns ab, bekannt als Kortex, und beobachteten, wie sich die Entscheidungen der Mäuse änderten. Die Ergebnisse waren bemerkenswert und hingen vollständig davon ab, in welchem mentalen Zustand sich die Maus befand. Wenn eine Maus in dem engagierten, evidenzbasierten Zustand war, führte das Ausschalten des vorderen Teils des Gehirns dazu, dass sie den Fokus verlor. Die Maus hörte auf, auf die Türme zu achten, und begann zu raten, wobei sie oft eine starke Tendenz zu einer Seite entwickelte. Wenn die Maus jedoch bereits in einem desinteressierten, voreingenommenen Zustand war, hatte das Ausschalten desselben vorderen Teils des Gehirns den gegenteiligen Effekt. Es reduzierte tatsächlich die bereits bestehende Tendenz der Maus, eine Seite zu bevorzugen, wodurch die Voreingenommenheit weniger extrem wurde. Dieses paradoxe Ergebnis zeigte, dass der vordere Teil des Gehirns als Kontrollzentrum fungiert, das essenziell ist, um den Fokus aufrechtzuerhalten, wenn das Tier versucht, das Richtige zu tun, aber seine Entfernung manchmal die Stärke einer Ablenkung verringern kann, auch wenn es die Fähigkeit des Tieres nicht vollständig wiederherstellt, die Beweise zu nutzen.

Die Forscher untersuchten auch den Zeitpunkt dieser Unterbrechungen. Sie fanden heraus, dass das Ausschalten des vorderen Gehirnteils die stärkste Wirkung hatte, wenn es später im Versuch geschah, kurz bevor die Maus abbiegen musste. Dies deutet darauf hin, dass die vorderen Hirnregionen entscheidend sind, um die Entscheidung im Gedächtnis zu behalten und die endgültige Wahl auszuführen, insbesondere wenn das Tier versuchen möchte, präzise zu sein. Im Gegensatz dazu war der Effekt, wenn die Forscher den hinteren Teil des Gehirns ausschalteten, anders. Diese Bereiche schienen eine größere Rolle zu spielen, wenn das Tier in einem voreingenommenen, desinteressierten Zustand war, was möglicherweise dabei half, diese Gewohnheiten aufrechtzuerhalten oder die Historie vergangener Belohnungen zu verarbeiten.

Um das Gesamtbild zu sehen, zeichnete das Team auch die elektrische Aktivität des gesamten Gehirns mit einer Weitfeldkamera auf. Sie fanden heraus, dass der vordere Teil des Gehirns wesentlich aktiver war, wenn die Mäuse im engagierten Zustand waren, im Vergleich zu den Zeiten, in denen sie voreingenommen waren. Darüber hinaus stellten sie fest, dass die vorderen Regionen die besten Prädiktoren während des engagierten Zustands waren, während die hinteren Regionen während des voreingenommenen Zustands informativer waren, wenn sie versuchten, die Wahl der Maus basierend auf der Gehirnaktivität vorherzusagen. Dies bestätigte, dass sich das Gehirn je nach der verwendeten Strategie reorganisiert. Der vordere Teil des Gebrins ist der Schlüssel dazu, fokussiert zu bleiben und eine Entscheidung auf Basis der aktuellen Beweise zu treffen, während andere Bereiche die Führung übernehmen, wenn das Tier auf Gewohnheiten zurückgreift.

Diese Erkenntnisse legen nahe, dass das Gehirn keine statische Maschine mit festen Teilen und festen Aufgaben ist. Stattdessen ist es ein dynamisches System, das seine Verbindungen und Aktivitätsmuster je nach der Art und Weise, wie das Tier ein Problem angeht, neu konfiguriert. Der vordere Teil des Gehirns tritt als kritischer Knotenpunkt hervor, um eine engagierte, evidenzbasierte Strategie aufrechtzuerhalten, und fungiert als Wächter gegen die Tendenz, in einfache Voreingenommenheiten zu verfallen. Wenn dieser Wächter abwesend ist, verliert das Tier seinen Weg, aber interessanterweise kann das Entfernen desselben manchmal die Intensität einer Ablenkung verringern, wenngleich dies nicht notwendigerweise zu einer optimalen Leistung führt. Diese Arbeit bietet eine klarere Sicht darauf, wie sich großflächige Hirndynamiken verschieben, um unterschiedliche Denkweisen zu unterstützen, und zeigt auf, dass der Weg zu einer Entscheidung ebenso sehr von der aktuellen Strategie des Gehirns abhängt wie von den vor Augen liegenden Beweisen.