Neue Studie zeigt, wie das Gehirn „Oops!“ sagt

Zusammenfassung: Die Forscher identifizierten eine Gruppe von Neuronen im Frontallappen, die Flexibilität beim Erlernen neuer Fähigkeiten und den Fokus auf die Entwicklung anspruchsvoller Fähigkeiten ermöglicht. Das Gehirn verwendet dieselbe Gruppe von Neuronen für Leistungsfeedback in einer Vielzahl von Situationen.

Quelle; Zedern Sinai

Forscher des Cedars-Sinai Center for Neural Science and Medicine und der Abteilung für Neurochirurgie haben herausgefunden, wie Signale von einer Gruppe von Neuronen im Frontallappen des Gehirns Menschen gleichzeitig die Flexibilität geben, neue Aufgaben zu lernen – und den Fokus, hochspezifische Fähigkeiten zu entwickeln.

Ihre Forschungsergebnisse, die heute in der Fachzeitschrift mit Peer-Review veröffentlicht wurden Wissenschaft, vermittelt ein grundlegendes Verständnis der Leistungsüberwachung, einer exekutiven Funktion zur Verwaltung des täglichen Lebens.

Das wichtigste Ergebnis der Studie ist, dass das Gehirn in vielen verschiedenen Situationen dieselbe Gruppe von Neuronen für das Leistungsfeedback verwendet – egal ob eine Person zum ersten Mal eine neue Aufgabe versucht oder daran arbeitet, eine bestimmte Fähigkeit zu perfektionieren.

„Ein Teil der Magie des menschlichen Gehirns besteht darin, dass es so flexibel ist“, sagte Ueli Rutishauser, Ph.D., Professor für Neurochirurgie, Neurologie und biomedizinische Wissenschaften, Direktor des Center for Neural Science and Medicine, des Board of Governors Lehrstuhl für Neurowissenschaften und leitender Autor der Studie. „Wir haben unsere Studie konzipiert, um zu entschlüsseln, wie das Gehirn generalisieren kann und sich gleichzeitig spezialisieren, was beides entscheidend ist, um uns dabei zu helfen, ein Ziel zu verfolgen.“

Leistungsüberwachung ist ein internes Signal, eine Art selbsterzeugtes Feedback, das eine Person wissen lässt, dass sie einen Fehler gemacht hat. Ein Beispiel ist die Person, die feststellt, dass sie an einer Kreuzung vorbeigefahren ist, an der sie hätte abbiegen sollen. Ein anderes Beispiel ist die Person, die etwas in einem Gespräch sagt und sofort erkennt, dass das, was sie gerade gesagt hat, unangemessen war.

Dieser ‘Oh, schieß’-Moment, dieses ‘Oops!’ In diesem Moment setzt die Leistungsüberwachung ein “, sagte Zhongzheng Fu, Ph.D., Postdoktorand am Rutishauser Laboratory in Cedars-Sinai und Erstautor der Studie.

Diese Signale helfen, die Leistung bei zukünftigen Versuchen zu verbessern, indem sie Informationen an Bereiche des Gehirns weiterleiten, die Emotionen, Gedächtnis, Planung und Problemlösung regulieren. Die Leistungsüberwachung hilft dem Gehirn auch, seinen Fokus anzupassen, indem es signalisiert, wie viele Konflikte oder Schwierigkeiten während der Aufgabe aufgetreten sind.

‘Also ein ‘Oops!’ Moment könnte jemanden dazu veranlassen, das nächste Mal, wenn er mit einem Freund chattet oder plant, auf dem Heimweg von der Arbeit im Geschäft anzuhalten, genauer aufzupassen “, sagte Fu.

Um die Leistungsüberwachung in Aktion zu sehen, zeichneten die Forscher die Aktivität einzelner Neuronen im medialen frontalen Cortex der Studienteilnehmer auf. Die Teilnehmer waren Epilepsiepatienten, denen im Rahmen ihrer Behandlung Elektroden in ihr Gehirn implantiert wurden, um den Fokus ihrer Anfälle zu lokalisieren. Insbesondere wurden diesen Patienten Elektroden in den medialen Frontalkortex implantiert, eine Gehirnregion, von der bekannt ist, dass sie eine zentrale Rolle bei der Leistungsüberwachung spielt.

Bei der Stroop-Aufgabe, bei der das Lesen gegen die Farbbenennung angestellt wird, sahen sich die Teilnehmer den geschriebenen Namen einer Farbe an, z. B. „Rot“, der mit Tinte einer anderen Farbe, z. B. Grün, gedruckt wurde, und wurden gebeten, die Tintenfarbe und nicht die zu benennen geschriebenes Wort.

“Das schafft Konflikte im Gehirn”, sagte Rutishauser. „Sie haben Jahrzehnte des Lesens trainiert, aber jetzt ist es Ihr Ziel, diese Lesegewohnheit zu unterdrücken und stattdessen die Farbe der Tinte zu sagen, in der das Wort geschrieben ist.“

Bei der anderen Aufgabe, der Multi-Source Interference Task (MSIT), bei der es darum geht, Ziffern zu erkennen, sahen die Teilnehmer drei numerische Ziffern auf dem Bildschirm, zwei identisch und die andere eindeutig – zum Beispiel 1-2-2. Die Aufgabe der Versuchsperson bestand darin, die Taste zu drücken, die der eindeutigen Nummer zugeordnet ist – in diesem Fall „1“, und sich ihrer Tendenz zu widersetzen, die „2“ zu drücken, da diese Nummer zweimal erscheint.

„Diese beiden Aufgaben dienen als starker Test dafür, wie die Selbstüberwachung in verschiedenen Szenarien mit unterschiedlichen kognitiven Domänen eingesetzt wird“, sagte Fu.

Eine strukturierte Antwort

Als die Probanden diese Aufgaben durchführten, bemerkten die Forscher zwei verschiedene Arten von Neuronen bei der Arbeit. „Fehler“-Neuronen feuerten stark, nachdem ein Fehler gemacht wurde, während „Konflikt“-Neuronen als Reaktion auf die Schwierigkeit der Aufgabe, die das Subjekt gerade ausgeführt hatte, feuerten.

„Als wir die Aktivität von Neuronen in diesem Hirnareal beobachteten, überraschte uns, dass die meisten von ihnen erst aktiv werden, nachdem eine Entscheidung oder eine Handlung abgeschlossen wurde. Dies weist darauf hin, dass dieser Gehirnbereich eine Rolle bei der Bewertung von Entscheidungen im Nachhinein spielt, anstatt sie zu treffen.“

Es gibt zwei Arten der Leistungsüberwachung: domänenallgemein und domänenspezifisch. Die allgemeine Leistungsüberwachung der Domain sagt uns etwas schief gelaufen ist und kann Fehler bei jeder Art von Aufgabe erkennen – egal ob jemand Auto fährt, sich in einer sozialen Situation zurechtfindet oder zum ersten Mal Wordle spielt. Dadurch können sie mit wenig Anleitung neue Aufgaben erledigen, was Maschinen nicht können.

„Maschinen können darauf trainiert werden, eine Sache wirklich gut zu machen“, sagte Fu. „Sie können einen Roboter bauen, um Hamburger zu wenden, aber er kann diese Fähigkeiten nicht an das Braten von Knödeln anpassen. Menschen können das dank der allgemeinen Leistungsüberwachung der Domain.“

Leistungsüberwachung ist ein internes Signal, eine Art selbsterzeugtes Feedback, das eine Person wissen lässt, dass sie einen Fehler gemacht hat. Das Bild ist gemeinfrei

Die domänenspezifische Leistungsüberwachung informiert die Person, die den Fehler gemacht hat was schief gelaufen sind, bestimmte Fehler entdeckt haben – dass sie eine Abzweigung verpasst, etwas Unangemessenes gesagt oder in einem Rätsel den falschen Buchstaben gewählt haben. Auf diese Weise perfektionieren Menschen individuelle Fähigkeiten.

Überraschenderweise waren Neuronen, die domänenspezifische und domänenspezifische Informationen signalisierten, im medialen frontalen Cortex vermischt.

„Früher dachten wir, dass es Teile des Gehirns gibt, die nur der allgemeinen Leistungsüberwachung von Domänen gewidmet sind, und andere nur der domänenspezifischen“, sagte Rutishauser.

„Unsere Studie zeigt jetzt, dass dem nicht so ist. Wir haben gelernt, dass dieselbe Gruppe von Neuronen sowohl bereichsübergreifende als auch bereichsspezifische Leistungsüberwachung durchführen kann. Wenn Sie diesen Neuronen zuhören, können Sie beide Arten von Informationen gleichzeitig auslesen.

Um zu verstehen, wie diese Signale von anderen Bereichen des Gehirns interpretiert werden, hilft es, sich die Neuronen als Musiker in einem Orchester vorzustellen, sagte Rutishauser.

„Wenn sie alle zufällig spielen, hören die Zuhörer – in diesem Fall die Regionen des Gehirns, die die Signale empfangen – nur einen verstümmelten Satz von Noten“, sagte Rutishauser.

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„Aber wenn sie eine arrangierte Komposition spielen, ist es möglich, die verschiedenen Melodien und Harmonien klar zu hören, selbst wenn so viele Instrumente – oder Leistungsüberwachungsneuronen – gleichzeitig spielen.“

Zu viel oder zu wenig dieser Signalisierung kann jedoch Probleme verursachen, sagte Rutishauser.

Eine überaktive Leistungsüberwachung kann sich als Zwangsstörung manifestieren, die eine Person veranlasst, obsessiv nach Fehlern zu suchen, die nicht vorhanden sind. Das andere Extrem ist die Schizophrenie, bei der die Leistungsüberwachung so wenig aktiv sein kann, dass eine Person Fehler oder die Unangemessenheit ihrer Worte oder Handlungen nicht wahrnimmt.

„Wir glauben, dass das mechanistische Wissen, das wir gewonnen haben, entscheidend für die Perfektionierung von Behandlungen für diese verheerenden psychiatrischen Störungen sein wird“, sagte Rutishauser.

Zum Forschungsteam gehörten auch Jeffrey Chung, MD, Direktor des Cedars-Sinai Epilepsy Program; Assistenzprofessorin für Neurologie Chrystal Reed, MD, Ph.D.; Adam Mamelak, MD, Professor für Neurochirurgie und Direktor des Programms für funktionelle Neurochirurgie; Ralph Adolphs, Ph.D., Professor für Psychologie, Neurowissenschaften und Biologie am California Institute of Technology; und wissenschaftliche Mitarbeiterin Danielle Beam.

Über diese Neuigkeiten aus der neurowissenschaftlichen Forschung

Autor: Pressebüro
Quelle: Zedern Sinai
Kontakt: Pressestelle – Cedars Sinai
Bild: Das Bild ist gemeinfrei

Ursprüngliche Forschung: Geschlossener Zugang.
Die Geometrie der domänenübergreifenden Leistungsüberwachung im menschlichen medialen Frontalkortex„Von Zhongzheng Fu et al. Wissenschaft


Abstrakt

Die Geometrie der domänenübergreifenden Leistungsüberwachung im menschlichen medialen Frontalkortex

Die Steuerung des Verhaltens, um gewünschte Ziele flexibel zu erreichen, hängt von der Fähigkeit ab, die eigene Leistung zu überwachen. Es ist nicht bekannt, wie die Leistungsüberwachung sowohl flexibel sein kann, um verschiedene Aufgaben zu unterstützen, als auch spezialisiert sein kann, um jede Aufgabe gut auszuführen.

Wir haben einzelne Neuronen im menschlichen medialen Frontalkortex aufgezeichnet, während die Probanden zwei Aufgaben ausführten, die drei Arten von kognitiven Konflikten beinhalteten. Neuronen, die Konfliktwahrscheinlichkeit, Konflikt und Fehler in einer oder beiden Aufgaben codierten, wurden vermischt und bildeten eine repräsentative Geometrie, die gleichzeitig eine Aufgabenspezialisierung und -verallgemeinerung ermöglichte. Neuronen, die Konflikte kodieren, dienten rückwirkend dazu, interne Schätzungen der Konfliktwahrscheinlichkeit zu aktualisieren. Bevölkerungsdarstellungen von Konflikten waren kompositorisch.

Diese Ergebnisse zeigen, wie Repräsentationen von Bewertungssignalen sowohl abstrakt als auch aufgabenspezifisch sein können, und legen einen neuronalen Mechanismus zur Schätzung des Kontrollbedarfs nahe.

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