Attention modulates cortical and subcortical responses to auditory deviance: An EEG-pupillometry study in healthy adults

Stellen Sie sich vor, Ihr Gehirn wäre eine geschäftige Stadt mit zwei verschiedenen Arten von Sicherheitswachen. Ein Wachmann, der „kortikale Wächter“, lebt im schicken Büroturm ganz oben in der Stadt. Dieser Wächter ist sehr intelligent, aber auch sehr wählerisch; er schenkt Dingen nur dann Aufmerksamkeit, wenn man aktiv nach ihnen sucht oder wenn sie einem bestimmten Muster entsprechen, das man gerade studiert. Der andere Wachmann, der „subkortikale Wache“, lebt im Keller. Dieser Wächter ist weniger an komplexen Mustern interessiert, sondern eher an der rohen, unmittelbaren Wachsamkeit. Er ist mit dem Alarmsystem der Stadt verdrahtet, zu dem auch Ihre Pupillen (die schwarzen Zentren Ihrer Augen) gehören. Wenn etwas Überraschendes passiert, selbst wenn Sie nicht direkt danach schauen, geht der Alarm los und Ihre Pupillen weiten sich, um mehr Licht und Informationen einzulassen. Wissenschaftler haben sich lange gefragt: Wenn man mit etwas anderem beschäftigt ist, wie zum Beispiel dem Schauen eines Films, bemerkt der Wächter im Keller dann immer noch ein seltsames Geräusch im Flur, oder schaltet der Bürowächter das gesamte System ab, weil die Aufmerksamkeit fehlt?

Diese Frage ist entscheidend, weil sie uns hilft zu verstehen, wie wir überleben. Wir müssen uns auf unsere Aufgaben konzentrieren, aber wir müssen auch vor plötzlichen Bedrohungen im Hintergrund sicher sein. Das Gehirn nutzt ein spezielles chemisches System (unter Beteiligung einer winzigen Struktur namens Locus coeruleus), um dieses Gleichgewicht zu verwalten. Obwohl wir nicht einfach in das Kellergeschoss des Gehirns hineinspähen können, um die Wächter zu sehen, können wir ihre Arbeit messen, indem wir auf Gehirnwellen (elektrische Signale aus dem Büro) und die Pupillengröße (das Alarmsystem im Keller) schauen. Diese Studie fragt: Wenn man das Gehirn mit einer visuellen Aufgabe ablenkt, reagieren dann beide Wächter auf ein seltsames Geräusch, oder tut es nur einer von ihnen?

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Das Experiment: Ein Märchen von zwei Aufgaben

Um die Antwort zu finden, luden Forscher 26 gesunde Erwachsene in ein Labor ein und brachten sie in einen gemütlichen, dunklen Raum. Die Teilnehmer trugen Kopfhörer und eine spezielle Kappe, die ihre Gehirnwellen aufzeichnete, während eine Kamera ihre Augenbewegungen verfolgte. Die Teilnehmer mussten einer Serie von Pieptönen lauschen, die durch die Kopfhörer abgespielt wurden. Diese Pieptöne kamen in Gruppen von fünf vor. Manchmal waren alle fünf Pieptöne gleich (wie piep-piep-piep-piep-piep). Ein anderes Mal war der letzte Ton anders (wie piep-piep-piep-piep-BOP).

Die Forscher gestalteten zwei verschiedene Szenarien, um die Aufmerksamkeit der Teilnehmer zu testen:

1. Die Zählaufgabe (Aktive Konzentration): In der ersten Runde wurden die Teilnehmer angewiesen, leise zu zählen, wie oft der „BOP“-Ton vorkam. Sie mussten den Klängen genau Aufmerksamkeit schenken.
2. Die visuelle Interferenzaufgabe (Ablenkung): In der zweiten Runde wurden die Töne im Hintergrund abgespielt, aber die Teilnehmer mussten sie ignorieren. Stattdessen mussten sie einen Bildschirm beobachten und eine Taste drücken, wann immer sie eine bestimmte Form (einen Kreis) zwischen anderen Formen sahen. Ihre Aufmerksamkeit lag voll und ganz auf den Augen, nicht auf den Ohren.

Die Forscher suchten nach zwei Arten von „Überraschung“:

• Lokale Überraschung: Nur das Hören einer anderen Tonhöhe (das BOP in der Sequenz).
• Globale Überraschung: Das Erkennen, dass das Muster der gesamten Gruppe anders war als erwartet (z. B. das Erkennen, dass die ganze Sequenz eine „Regelbrecher“-Sequenz war).

Was die Gehirnwellen und Pupillen enthüllten

Die Ergebnisse zeichneten ein faszinierendes Bild davon, wie sich die beiden „Wächter“ verhalten, wenn das Gehirn beschäftigt ist.

Wenn das Gehirn fokussiert war (Zählaufgabe):
Sowohl der Bürowächter als auch der Kellerwächter waren hellwach.

• Die Gehirnwellen (Bürowächter): Wenn die Teilnehmer einen überraschenden Ton hörten, zeigten ihre Gehirnwellen einen großen, klaren Ausschlag. Dies geschah sowohl bei der einfachen Tonhöhenänderung (lokal) als auch beim Musterbruch (global). Das Signal war stark und deutlich sichtbar, besonders am Hinterkopf.
• Die Pupillen (Kellerwächter): Auch die Pupillen reagierten stark. Sie wurden größer (dilatierten), wenn ein überraschender Ton auftrat. Diese Weitung war signifikant sowohl für die einfache Tonhöhenänderung als auch für den komplexen Musterbruch.

Wenn das Gehirn abgelenkt war (Visuelle Interferenzaufgabe):
Hier wird die Geschichte interessant. Die beiden Wächter fingen an, sehr unterschiedlich zu agieren.

• Die Gehirnwellen (Bürowächter): Der Bürowächter legte im Grunde Streik ein. Als die Teilnehmer mit dem Beobachten des Bildschirms beschäftigt waren, verschwanden die Gehirnwellen, die normalerweise einen „Musterbruch“ (globale Überraschung) signalisierten, vollständig. Sie waren zu sehr mit ihrer Aufgabe beschäftigt, um die komplexe Regelverletzung zu bemerken. Selbst die einfache Tonhöhenänderung (lokal) war kaum sichtbar und zeigte nur eine winzige, flüchtige Reaktion. Die komplexere, höherwertige Verarbeitung schien zu verschwinden, wenn die Aufmerksamkeit abgezogen wurde.
• Die Pupillen (Kellerwächter): Der Kellerwächter hingegen ließ sich nicht ignorieren. Selbst obwohl die Teilnehmer abgelenkt waren, wurden ihre Pupillen immer noch größer, wenn sie einen überraschenden Ton hörten.
  • Bei der einfachen Tonhöhenänderung (lokal) weiteten sich die Pupillen immer noch, wenngleich die Reaktion etwas kleiner war als zuvor.
  • Bei dem komplexen Musterbruch (global) weiteten sich die Pupillen immer noch signifikant. Die Daten zeigten, dass selbst wenn die Gehirnwellen sagten: „Hier passiert nichts“, die Pupillen sagten: „Hey, da ist etwas Seltsames passiert!“

Das große Fazit

Die Studie legt nahe, dass unser Gehirn eine gespaltene Persönlichkeit hat, wenn es darum geht, Überraschungen wahrzunehmen. Der Teil des Gehirns, der die großen elektrischen Signale erzeugt (die ERP/P300), ist sehr abhängig von unserer Aufmerksamkeit. Wenn Sie mit etwas anderem beschäftigt sind, hört dieser Teil des Gehirns auf, komplexe Muster zu verarbeiten.

Das System jedoch, das unsere Pupillen steuert (verbunden mit den Erregungs- und Wachsamkeitssystemen des Gehirns), ist viel robuster. Es scheint auch bei Ablenkung eine Art Niedrigpegel-Wachsamkeit gegenüber der Umgebung aufrechtzuerhalten. Die Pupillen können immer noch erkennen, dass etwas „nicht stimmt“, selbst wenn der bewusste, elektrische Teil des Gehirns zu sehr mit seiner Aufgabe beschäftigt ist, um es zu registrieren.

Die Forscher weisen vorsichtig darauf hin, dass dies nicht bedeutet, dass die Pupillen „denken“ oder dass wir uns des Tons bewusst sind. Es deutet vielmehr darauf hin, dass das automatische Alarmsystem des Körpers (die Pupillenreaktion) widerstandsfähiger gegenüber Ablenkung ist als das detaillierte Analysesystem des Gehirns (die EEG-Wellen). Es ist wie eine Sicherheitskamera, die auch dann weiter aufzeichnet, wenn der Sicherheitsmann im Turm eingeschlafen ist; der Alarm geht trotzdem los, selbst wenn der Wächter nicht weiß, warum.

Kurz gesagt: Während unsere bewusste Aufmerksamkeit eine begrenzte Ressource ist, die leicht abgelenkt werden kann, behält das automatische Warnsystem unseres Körpers ein wachsames Auge auf die Welt und bereitet uns darauf vor, die Pupillen zu weiten und bereit für das Handeln zu sein, selbst wenn unsere Gedanken ganz woanders sind.