Early visual cortex is not functionally necessary for temporal attention: A TMS study

Das menschliche Gehirn ist ein Wunderwerk der Effizienz, aber es ist auch ein Geschöpf der Knappheit. Es kann nicht jeden Anblick, jedes Geräusch und jede Empfindung in der Umgebung gleichzeitig verarbeiten, ohne seine Energiereserven aufzubrauchen. Um zu überleben, setzt das Gehirn eine Strategie namens Aufmerksamkeit ein – einen Mechanismus, der wie ein Scheinwerfer wirkt, der die Klarheit spezifischer Informationen verstärkt, während er alles andere abschwächt. Während Wissenschaftler schon lange verstehen, wie wir uns auf bestimmte Orte in unserem Sichtfeld konzentrieren, blieb die Frage, wie wir uns auf bestimmte Momente in der Zeit konzentrieren, weitaus rätselhafter. Wir wissen, dass wir uns willentlich dazu entscheiden können, bereit für ein Ereignis zu einem präzisen Zeitpunkt zu sein, aber die biologische Maschinerie hinter dieser Fähigkeit war ein Mysterium. Frühere Studien unter Verwendung von Hirnscannern zeigten, dass bei der Konzentration auf einen spezifischen Zeitpunkt die Aktivität im frühen visuellen Kortex zunimmt, dem Teil des Gehirns am Hinterkopf, der Bilder zuerst von den Augen empfängt. Diese Scanner zeigen jedoch nur eine Korrelation; sie zeigen, dass zwei Dinge gleichzeitig geschehen, können aber nicht beweisen, dass das eine das andere verursacht. Es blieb möglich, dass dieser frühe visuelle Bereich lediglich ein Zuschauer war, der aufleuchtete, weil andere Teile des Gehirns die eigentliche Arbeit des Zeitmessens leisteten.

Um dieses Rätsel zu lösen, entwarfen Forscher der New York University ein Experiment, um zu testen, ob der frühe visuelle Kortex tatsächlich für diese Art der zeitbasierten Aufmerksamkeit notwendig ist. Sie verwendeten eine Technik namens transkranielle Magnetstimulation, bei der eine Magnetspule an die Kopfhaut gelegt wird, um einen kurzen, harmlosen Impuls abzugeben, der die elektrische Aktivität der darunter liegenden Gehirnzellen vorübergehend stört. Durch das Anwenden dieses Impulses genau in dem Moment, in dem ein visuelles Ziel erschien, konnte das Team sehen, ob die Störung des frühen visuellen Kortex die Fähigkeit des Gehirns unterbrechen würde, sich auf diesen spezifischen Moment zu konzentrieren. Wenn der frühe visuelle Kortex der Motor der temporalen Aufmerksamkeit wäre, sollte die Störung die Menschen langsamer und weniger genau gemacht haben. Wenn das Gehirn jedoch auf ein anderes, höherwertiges System angewiesen ist, um die Zeit zu steuern, sollte die Störung des frühen visuellen Bereichs keinen Effekt auf die Leistung gehabt haben.

Die Forscher baten Freiwillige, eine Aufgabe auszuführen, bei der sie auf zwei Formen, sogenannte Gabor-Patches, warteten, die nacheinander in der unteren rechten Ecke eines Bildschirms erschienen. Bevor die Formen erschienen, gab ein Ton den Freiwilligen einen Hinweis darauf, welche Form sie identifizieren sollten. Manchmal war der Hinweis korrekt und sagte ihnen genau, auf welche Form sie achten sollten; manchmal war der Ton neutral und wenig hilfreich. Die Freiwilligen mussten entscheiden, ob die angedeutete Form leicht nach links oder rechts geneigt war. Das Experiment wurde unter vier verschiedenen Bedingungen durchgeführt: In einigen Versuchen wurde der Magnetimpuls genau dann abgegeben, als die erste Form erschien; in anderen traf er ihn gerade beim Erscheinen der zweiten Form; in einigen Fällen traf er beide, und in einer Kontrollgruppe wurde gar kein Impuls abgegeben. Entscheidend war, dass die Freiellen nicht vorhersagen konnten, wann der Impuls erfolgen würde, wodurch sichergestellt wurde, dass ihr Geisteszustand unabhängig von der Stimulation konsistent blieb. Um zu verifizieren, dass der Magnetimpuls tatsächlich das Gehirn beeinflusste, überwachten die Forscher auch die Größe der Pupillen der Probanden, die sich natürlicherweise erweitern, wenn der visuelle Kortex stimuliert wird.

Die Ergebnisse waren eindeutig und überraschend. Wenn die Freiwilligen einen hilfreichen Hinweis darauf erhielten, auf welche Form sie achten sollten, schnitten sie signifikant besser ab, indem sie die Neigung genauer identifizierten und schneller reagierten. Diese Verbesserung, bekannt als der Nutzen der temporalen Aufmerksamkeit, trat über alle Bedingungen hinweg konsistent auf. Am wichtigsten war, dass die Magnetimpulse, die an den frühen visuellen Kortex abgegeben wurden, diesen Nutzen nicht verringerten. Ob der Impuls die erste Form, die zweite Form, beide oder keine traf, die Fähigkeit der Freiwilligen, sich auf den richtigen Moment in der Zeit zu konzentrieren, blieb intakt. Die Daten zeigten, dass die Kapazität des Gehirns, einen spezifischen Moment in der Zeit zu priorisieren, nicht vom frühen visuellen Kortex abhängt. Die Forscher bestätigten, dass die Stimulation wie beabsichtigt funktionierte, da sich die Pupillen der Freiwilligen signifikant erweiterten, wenn die Impulse abgegeben wurden, was bewies, dass das Hirngewebe beeinflusst wurde. Diese physiologische Störung führte jedoch nicht zu einem Verhaltensfehler.

Diese Erkenntnisse legen nahe, dass die Fähigkeit des Gehirns, sich willentlich auf einen bestimmten Moment in der Zeit zu konzentrieren, unabhängig von den primären visuellen Verarbeitungszentren operiert. Anstatt sich darauf zu verlassen, dass der frühe visuelle Kortex das Timing der Aufmerksamkeit verwaltet, nutzt das Gehirn wahrscheinlich höherwertige Regionen, wie etwa Netzwerke in den frontalen und cingulären Bereichen, um aufgabenrelevante Informationen auszuwählen und zu schützen. Diese Studie liefert den ersten kausalen Beweis dafür, dass der frühe visuelle Kortex zwar essenziell für das Sehen ist, aber nicht der Motor ist, der unsere interne Uhr für die Aufmerksamkeit antreibt. Das Gehirn kann seinen temporalen Fokus aufrechterhalten, selbst wenn der anfängliche visuelle Verarbeitungsbereich vorübergehend zum Schweigen gebracht wird, was auf ein komplexeres, verteiltes System für die Steuerung dessen hindeutet, wann wir aufmerksam sind.