Forschungsprogramm der 3. Antragsperiode 2002-2004

Der Sonderforschungsbereich "Neurokognition" wurde 1996 eingerichtet und wird seit dieser Zeit durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft gefördert. Er ist in die drei Projektbereiche A. Experimentelle Neurobiologie, B. Theoretische Neurobiologie und C. Psychophysik, kognitive Psychologie, Neuropsychologie gegliedert.

Allgemeine Zielsetzung

Das Ziel des SFB ist die Beantwortung der Frage nach dem Zustandekommen kognitiver Leistungen in tierischen und menschlichen Gehirnen. In Fortsetzung unserer bisherigen Arbeit wollen wir uns auf zwei Funktionen konzentrieren, nämlich auf Aufmerksamkeit und Bewertung, und ihr Verhältnis zueinander. Beide Prozesse sind unabdingbare Voraussetzung des für alle Lebewesen letztlich entscheidenden Vorgangs, nämlich der Verhaltensauswahl und Verhaltenssteuerung. Aufmerksamkeit und Bewertung sehen wir als Ergebnis eines grundlegenden Mechanismus an, nämlich der neuronalen Selektion. Das Verhältnis von Aufmerksamkeit, Bewertung und Handlungsentscheidung und seine Störungen wollen wir auf unterschiedlichen Systemebenen - von der subzellulär-zellulären über die systemische Ebene bis hin zum Verhalten - im visuellen, auditorischen und limbischen System von Tieren und Menschen (Gesunden und Patienten) mit einer Vielzahl von Methoden untersuchen.

 

Aufmerksamkeit

Aufmerksamkeit umfasst nach heutigem Verständnis alle Prozesse, in denen Information für weitere Verarbeitung und schließlich für die Verhaltenssteuerung selektiert und moduliert wird. Trotz einer langen Tradition psychologischer, psychophysischer und neurobiologischer Forschung herrscht noch keine Einigkeit sowohl über die spezifischen Effekte von Aufmerksamkeitsprozessen auf Wahrnehmungen, kognitive Leistungen und Verhaltenssteuerung, als auch über die ihnen tatsächlich zugrunde liegenden neuronalen Mechanismen. In der psychologischen und psychophysischen Forschung konkurrieren nach wie vor zwei große Theorieansätze zur Aufmerksamkeit, nämlich zum einen die Ansicht, dass Aufmerksamkeit die Vielfalt von Wahrnehmungsinhalten in kohärente Objekte gruppiert, und zum anderen die Auffassung, dass Aufmerksamkeit dazu da ist, die Erkennbarkeit und Unterscheidbarkeit von Reizen zu erhöhen.

Ebenso herrscht große Uneinigkeit darüber, ob bzw. in welchem Maße Aufmerksamkeit ein Prozess ist, der sensorisch peripher und damit früh, weitgehend automatisiert und implizit (d.h. unbewusst und semantisch eher "flach") verläuft, oder ein Prozess, der eher zentral und damit spät, kognitiv, variabel, explizit und semantisch "tief" verläuft. Auch ist unklar, ob die in der Psychologie lange favorisierte Hypothese zutrifft, dass sich Aufmerksamkeit aus der Tatsache "begrenzter Ressourcen" bei der Informationsverarbeitung ergibt. Eine alternative Erklärung ist eine funktional, nicht durch Ressourcenknappheit bedingte Erhöhung der Repräsentationsgenauigkeit von Sinnesdaten durch Aufmerksamkeit. Schließlich ist zu fragen, ob nicht grundsätzlich zwischen ortsbezogener, objektbezogener und merkmalsbezogener Aufmerksamkeit unterschieden werden muss.

Ebenso unklar sind die Auswirkungen von Aufmerksamkeit auf neuronale Prozesse. Auf neuronaler Ebene kann die aufmerksamkeitsbedingte Hervorhebung sensorischer Prozesse geschehen durch (1) einen Anstieg des Aktivitätsniveaus beteiligter Neurone, (2) eine Erhöhung ihrer Zahl, (3) eine Verlängerung ihrer Aktivität, und (4) einen höheren Interaktions- und Synchronisationsgrad der beteiligten Neurone bzw., eine Kombination dieser Parameter. Dies kann resultieren (1) in einer Veränderung der internen Struktur beteiligter Neuronen-Netzwerke und damit in einer veränderten Repräsentation von attendierten und selektierten externen Prozessen, und (2) in einer veränderten Gruppierung von Reizmerkmalen von Objekten. Experimentelle Evidenzen für das eine wie das andere sind nach wie vor schwach, da meist nur das Verhalten von Einzelneuronen bei Variation nur einer Stimuluseigenschaft untersucht wurde.

Bewertung

Gehirne unterscheiden sich von künstlichen informationsverarbeitenden Systemen dadurch, dass sie die Konsequenzen ihres Handelns nach genetisch vorgegebenen bzw. durch Prägung oder Lernen erzeugten Kriterien (bzw. einer Kombination hiervor) bewerten. Grundlage dieser Bewertung ist die Befriedigung elementarer Lebens- und Überlebensbedürfnisse, die als lustvoll empfunden werden, bzw. die Abwehr oder das Vermeiden von Zuständen, die dieser Befriedigung entgegenstehen. Sie werden als Affekte empfunden. An diese primären Bewertungsvorgänge schließen sich über verschiedene Lernformen vermittelte sekundäre Prozesse der Bewertung an, die als Motivation, Emotionen einschließlich Interesse und Neugier und als Stimmungen empfunden werden.

Bei der selektiven Signalverarbeitung im Gehirn wirken sich zum einen die momentanen Bedürfnisse und Ziele des Lebewesens aus, zum anderen werden die vorhandenen Erfahrungen berücksichtigt. Es wird angenommen, dass bei jeder Wahrnehmung und jeder Handlung neben den Details und dem Kontext auch die Bewertungskomponente in unterschiedlichen Gedächtnissen (perzeptives, kognitiv-explizites, emotionales und prozedural-implizites Gedächtnis) abgelegt wird. Beim Auftreten derselben oder ähnlicher Wahrnehmungen und Handlungen bzw. Handlungskontexte werden die emotionalen Bewertungen aufgerufen und beeinflussen direkt die Wahrnehmungen und die Handlungsauswahl. Emotionales und kognitives Gedächtnis arbeiten also "arbeitsteilig".

Allgemein ist der Prozess der Bewertung gegenüber dem der Aufmerksamkeit sowohl psychologisch als auch neurobiologisch noch wenig erforscht. Dies liegt größtenteils an dem vergleichsweise geringen Interesse, das Psychologie und Neurowissenschaften lange Zeit affektiven und emotionalen Zuständen gegenüber an den Tag legten, ist aber auch durch die komplizierteren Untersuchungsbedingungen bedingt. Nichtsdestoweniger sind es die Ergebnisse von Bewertungsprozessen, welche die Aufmerksamkeit "top down" steuern. Dies wird am deutlichsten bei Experimenten zur Furchtkonditionierung sichtbar - dem einzigen wirklich gut untersuchten Paradigma für emotionale Bewertung -, wo zuvor wenig attendierte sensorische Geschehnisse über ihre negativen Konsequenzen für den Organismus einen hohen Aufmerksamkeitswert erhalten.

Klar ist, dass Bewertung genauso wie Aufmerksamkeit nicht nur zentral stattfindet, sonder auch frühe, z.B. im Thalamus oder sogar peripher ablaufende Wahrnehmungsprozesse beeinflusst. Dies geschieht vor allem durch neuromodulatorische Systeme (z.B. das noradrenerge und cholinerge System), und zwar vermittelt durch das vegetative, limbische und kognitive System (z.B. das basale Vorderhirn, das Pulvinar und den Nucleus reticularis thalami). Auf der anderen Seite greifen Resultate von Bewertungsprozessen, vermittelt durch limbische Zentren, über die Basalganglien in die Handlungsauswahl und das Auslösen von Aktionen ein. Prominentestes Beispiel hierfür ist die dopaminerge Steuerung des Corpus striatum durch die Substantia nigra pars compacta, die ihrerseits unter der Kontrolle limbischer Zentren (Amygdala, mesolimbisches System), des basalen Vorderhirns und des Hippocampus und damit von Aufmerksamkeit und Gedächtnis steht.

Unser Ansatz

Wir gehen davon aus, dass Aufmerksamkeit und Bewertung Vorgänge sind, die in vielfältiger Weise, in unterschiedlichen Zentren des Nervensystems und durch unterschiedliche Mechanismen vermittelt ablaufen:

(1) Aufmerksamkeit und Bewertung finden auf vielen Ebenen des Nervensystems bzw. des Gehirns statt. Sie sind keineswegs nur hochkognitive und von Bewusstsein begleitete Prozesse.
(2) Es gibt einen gleitenden Übergang zwischen sensorischen Prozessen, verschiedenen Stufen außen- und innengeleiteter, bottom up- und top down-bestimmter Aufmerksamkeit und kognitiv-emotionaler Bewertung. Ein sensorischer Prozess kann auf ganz unterschiedlichen, vielfach unbewussten Ebenen in die Verhaltenssteuerung eingehen, während er jeweils durch Aufmerksamkeit und Bewertung beeinflusst wird.
(3) Der grundlegende neuronale Mechanismus von Aufmerksamkeit ist die Selektion sensorischer Information. Diese kann in der Einschränkung, Fokussierung, Filterung und Umorientierung dieser Information bestehen als auch in ihrer Verbindung mit bestimmten internen Zuständen (z.B. Gedächtnisinhalten, Motivationszuständen).
(4) Bewertung setzt ebenfalls eine Selektion voraus. Diese besteht: (a) in der Identifikation der Merkmale sensorischer Zustände, die für die jeweilige Situation wesentlich sind, d.h. sich als lebens- und überlebensrelevant bzw. lustfördernd bzw. unlustvermeidend erwiesen haben; (b) in einer Auswahl adäquater Verhaltensreaktionen; und (c) in einer Zuordnung interner affektiver und emotionaler Zustände (Lust-Unlust; Befriedigung-Frustration; Freude-Schmerz usw.) zu den Verhaltensreaktionen.
(5) Bewertung und Aufmerksamkeit bedingen sich gegenseitig: Aufmerksamkeit führt zu einer bestimmten Verhaltensentscheidung, deren Konsequenzen von kognitiven und limbischen Zentren evaluiert werden. Diese im Erfahrungsgedächtnis abgelegten Informationen steuern dann in neuer Weise die Aufmerksamkeit.

Sensorische Selektionsvorgänge

Eine selektive Signalverarbeitung erfolgt bereits in der sensorischen Peripherie, wo laterale Vorwärts- und Rückwärtshemmung und modulatorische Adaptation zur Filterung und Merkmalsabstraktion beitragen. Dabei werden neben lokalen Zentrum-Umfeld-Mechanismen weitreichende Inhibitionsvorgänge über Interneurone eingesetzt. Über die Synchronisation neuronaler Aktivität werden hier und in nachgeschalteten sensorischen Arealen Kombinationen der Schlüsselmerkmale von Objekten erreicht. Auf diesen Ebenen könnte dann die Aufmerksamkeit nach einer "winner-take-all"-Regel auf die jeweils maximale Erregung gelenkt werden. Damit wird die frühe parallele Erfassung einer sensorischen Szene in eine Abfolge von seriellen Analyseaufgaben aufgeteilt, die als einzelne möglicherweise leichter zu lösen sind.

Je weiter entfernt von der sensorischen Oberfläche und vor allem je weiter innerhalb des Kortex und des Mittelhirndaches (Tectum/Colliculus), desto spezifischer wird die Selektion von Signalen. Nach derzeitigem Kenntnisstand erfolgt diese Signalselektion in der neuronalen Populationsaktivität durch nichtlineare, dynamische Prozesse, die - abhängig von der zu erfüllenden kognitiven Funktion - in unterschiedlichem Maß von Feedforward- und Feedback-Signalen und lateralen Interaktionen gesteuert werden. Diese Sichtweise eröffnet die Möglichkeit, dass den verschiedenen Schritten der Informationsverarbeitung im Gehirn ein gemeinsames Prinzip zugrunde liegt, nämlich die Selektion relevanter neuronaler Aktivitäten.

Unsere Kernaussage lautet, dass es in sensorischen Netzwerken selbst Mechanismen gibt, die mehr oder weniger automatisch zu Selektionsprozessen führen, und zwar aufgrund der Beschaffenheit ("saliency") der Reize selbst. Diese Prozesse werden jedoch durchdrungen von internen aufmerksamkeitssteuernden Prozessen, die durch Faktoren wie Erwartung, Vorwissen und Motivation gesteuert werden. Es ist Ziel unserer Arbeit, diese beiden Komponenten sowohl experimentell zu separieren, ihre Interaktion zu untersuchen. und die ihnen zugrunde liegenden zellulären Mechanismen zu analysieren. Das methodische Vorgehen umfasst dabei die ganze Breite neurobiologischer experimenteller Techniken, von der gezielten Herstellung transgener Tiere über verschiedene neuroanatomische und elektrophysiologische Untersuchungsmethoden bis zur Verhaltensbiologie.

Die Bedeutung dynamischer Systemansätze

Zur Erforschung dieser Prozesse bieten sich Ansätze aus der Theorie nichtlinearer dynamischer Systeme an, die in jüngster Zeit besonders in ihrer Anwendung auf neurobiologische Vorgänge große Fortschritte gemacht haben. Wegen der notwendigen präzisen Anpassung der Dynamik des Systems an die Umwelt, wegen der hohen Parallelität und Verteiltheit neuronaler Vorgänge, und nicht zuletzt wegen der probabilistischen Natur von Wahrnehmungsvorgängen müssen die Prozesse des Reiz-Perzeptions-Bewertungs-Aktions-Zyklus als komplexe adaptive dynamische Systeme beschrieben werden.

Ein wichtiger Ansatzpunkt zur Untersuchung aktiver bzw. dynamischer Aspekte der Wahrnehmung ist dabei die mathematische Schätztheorie, die - aufbauend auf dem Bayes-Theorem - besonders geeignet ist, Vorwissen des entsprechenden Systems zu integrieren. Vorwissen verbessert die Schätzung von Merkmalen und Objekten aus zur Verfügung stehenden Daten, und eine geeignete Dynamik kann solches Vorwissen aus den zeitlichen und den räumlichen Kontexten zur Verfügung stellen, modifizieren und optimieren. Die Schätztheorie stellt deshalb wichtige Werkzeuge zur Verfügung, die es erlauben, die funktional relevanten Zustände aus neuronalen Aktivitäten zu extrahieren. Insgesamt gehen wir davon aus, dass sich auf allen Ebenen des zentralen Nervensystems kontextabhängig variierende Schätzprobleme stellen, und dass die neuronalen Selektionsprozesse als dynamische Realisierungen von geeigneten Schätzern beschrieben werden können.

Visuelle und auditorische Aufmerksamkeitssteuerung

Aufmerksamkeitsprozesse verlaufen keineswegs stereotyp (d.h. auf der Grundlage "starrer" Netzwerke) ab, sondern werden - was die visuelle Wahrnehmung betrifft - bereits in der Retina und in subcorticalen Zentren (optisches Tectum/Colliculus superior; visuelle thalamische Kerne, Amygdala) und "frühen" corticalen Arealen (V1, V2, MT usw.) vom räumlichen und zeitlichen Stimuluskontext, von Erfahrungen, Erwartungen, der Motivation und Emotionen entscheidend moduliert und kanalisiert. Ein besonders wichtiger Selektionsprozess ist die intern gesteuerte visuelle Aufmerksamkeit. Die hohe Effektivität des visuellen Systems kann über die Aufmerksamkeitssteuerung dadurch erreicht werden, dass die Verarbeitungsprozesse zum Teil schon früh auf bedeutungshafte, d.h. in Bezug auf den Handlungserfolg wesentliche Komponenten konzentriert werden.

Im auditorischen System sind die auf Objektwahrnehmung und -segregation (akustische Szenenanalyse, z.B. beim Cocktail-Party-Effekt) zielenden neuronalen Prozesse weniger genau bekannt als im visuellen System. Neuere Ergebnisse zeigen, dass bottom-up-Prozesse bereits einen wesentlichen Beitrag zur Bindung von akustischen Komponenten zu Hörobjekten leisten und die Segregation der Objekte in verschiedene Verarbeitungskanäle (auditory streaming) unterstützen. Hier steht die Transformation akustischer Signale in ihre interne Repräsentation im Vordergrund. Dabei werden akustische Merkmale verschiedener Komplexität extrahiert, und deren Repräsentation im Nervensystem wird durch Wechselwirkungen innerhalb der Neuronenverbände verschärft (z.B. Frequenz- und Zeitstrukturen, Modulationsmuster, interaurale Differenzen). Bei der Weiterverarbeitung und Interpretation dieser internen Repräsentation treten vermutlich sehr ähnliche Prozesse wie im visuellen System auf. Top-down-Prozesse leisten einen weiteren essentiellen Beitrag zur Interpretation auditorischer Szenen. Die starke zeitliche Dynamik der Prozesse (z.B. beim Sprachverstehen) ist ein wichtiger Aspekt; eine Beschränkung auf stationäre Bedingungen ist deshalb in der Analyse der zugrunde liegenden Prozesse nicht möglich.

Bewertung und Handlungssteuerung

Die Bewertung der Wahrnehmungsinhalte mündet ein in eine Vorhersage darüber, welche Handlungen den größten Erfolg (größte Befriedigung bzw. geringste Unlust) versprechen. Die Handlungsauswahl kann lokal geschehen, z.B. indem innerhalb der Handlungsprogrammierung bei nicht eingeübten Handlungen viele Details aufgerufen und neu zusammengefügt werden, oder global, indem Handlungsintentionen bereits bestehende Aktionssequenzen aufrufen und blockartig zusammenfügen. Unsere Kernaussage lautet, dass Bewertung nicht etwas ist, das auf später zentraler Ebene zu den sensorischen und kognitiven Prozessen hinzugefügt wird, sondern sich auf allen Ebenen der Informationsverarbeitung vollzieht, wenngleich als Leistung identifizierbarer modulatorisch wirkender Systeme. Es ist ein Ziel unseres SFB, die Mechanismen der Modulation von sensorischen und kognitiven Prozessen durch limbische Bewertungsvorgänge auf zellulärer, systemischer und Verhaltensebene zu untersuchen.

Inhaltliche Gliederung und Forschungsprogramm des SFB

In Fortsetzung unserer bisherigen Arbeit umfassen die Teilprojekte des SFB Untersuchungen an Tieren und am Menschen auf einer Vielzahl von strukturellen und funktionalen Untersuchungsebenen von subzellulären Vorgängen (z.B. an der Synapse) über die Ebene einzelner Zellen (z.B. der Retina, der Amygdala, des optischen Tectum und des visuellen Cortex), kleinerer und größerer Zellverbände (z.B. des Hippocampus), ganzer Hirnzentren (z.B. des präfrontalen Cortex) bis hin zum Verhalten von Versuchstieren, gesunden Menschen und Patienten. Entsprechend vielfältig sind die angewandten Methoden, die von extra- und intrazellulären Ableitungen und Patch-Clamp-Ableitungen zur Anwendung bildgebender Verfahren (funktionelle Kernspintomographie und Kernspinspektroskopie) und zu Verhaltensstudien reichen. Nur so erscheint uns das Erfassen komplexer Prozesse der Aufmerksamkeit und Bewertung möglich. Der Schwerpunkt unserer experimentellen Arbeit liegt insgesamt auf der systemischen Ebene und der Verhaltensebene; molekulare und zelluläre Untersuchungen werden in dem Maße durchgeführt, indem sie der Aufklärung von Prozessen auf dieser Ebene dienen.

Aufmerksamkeitssteuerung untersuchen wir im visuellen System (TP A2, A4, A7, B6, B7, C7, C8, C9 und C10) und im auditorischen System (TP C1, C2 und C11). Bewertungsprozesse werden in limbischen (Amygdala/mesolimbisches System, Hippocampus, entorhinaler Cortex) und exekutiven Arealen (präfrontaler Cortex) untersucht (TP A5, A8, A11, C7). Die theoretischen Teilprojekte B5, B6 und B7 stehen in enger Zusammenarbeit mit den experimentellen Teilprojekten bzw. werden gemeinsam von Theoretikern und Experimentatoren betrieben (TP B7). Hierdurch erhält der SFB eine hohe inhaltliche Homogenität.

Die enge Zusammenarbeit zwischen Experimentatoren und Theoretikern ist nach wie vor ein Kernstück unserer Arbeit. Wie oben geschildert sehen wir in der Anwendung moderner mathematisch-theoretischer Konzepte aus der Theorie nichtlinearer dynamischer Systeme und der Schätztheorie ein besonders zukunftsträchtiges Mittel unserer Arbeit. Unser Ziel ist dabei weiterhin, dass die Theoretiker möglichst früh in die Planung der Experimente einbezogen sind.

Ein weiterer wichtiger Punkt unserer Aktivitäten ist die Verbindung zwischen tierexperimenteller und humanexperimenteller Forschung, die zugleich eine Verbindung der neurobiologischen Forschung einerseits und der neuropsychologischen und kognitionspsychologischen Forschung andererseits darstellt. Wir bemühen uns seit einiger Zeit intensiv um experimentelle Paradigmen, die parallel an geeigneten Versuchstieren, z.B. Makaken, und Versuchspersonen eingesetzt werden können. In diesem Zusammenhang versuchen wir, bei Tier und Mensch dieselben Registriermethoden anzuwenden, z.B. EEG/EKP und fMRI/MRS. Im Zusammenhang mit dem TP B7 wurden in den Labors von Prof. Kreiter und Prof. Basar-Eroglu bei Untersuchungen zum Arbeitsgedächtnis EEG-Messungen am Menschen und Elektrocorticogramm-Ableitungen am Makaken durchgeführt. Entsprechend sind im TP B7 psychophysische Untersuchungen an Menschen und an Makaken in Kombination mit elektrophysiologischen Messungen im Tierversuch geplant.

Ein wichtiger, noch auszubauender Teil unserer Arbeit ist die Brücke zwischen Grundlagenforschung und klinischer Forschung. In einer ganzen Reihe von SFB-Projekten C1, C2, C7,C8, C9 und C10) werden bereits klinische Untersuchungen durchgeführt. Da in Bremen und Oldenburg keine Universitätskliniken vorhanden sind, erfolgen diese Untersuchungen in Zusammenarbeit mit den städtischen Kliniken (in Bremen mit der Neurologie am Zentralkrankenhaus Bremen-Ost, im Oldenburg mit dem Evangelischen Krankenhaus). Überdies erfolgt über das "Zentrum für Neurowissenschaften - ZeN" eine enge Kooperation mit der Neurologischen Klinik II in Magdeburg. Schon jetzt werden Patienten aus Bremen und Oldenburg im Rahmen dieser Kooperation in Magdeburg untersucht.