Das Aufmerksamkeitsnetzwerk des Gehirns freischalten

Zusammenfassung: Forscher haben Tiefenelektroden bei Epilepsiepatienten eingesetzt, um die exogene Aufmerksamkeit zu untersuchen, die unwillkürliche Fokusverschiebung, die durch äußere Reize ausgelöst wird. Dieser einzigartige Ansatz, der die neuronale Aktivität in 1.400 Gehirnregionen erfasst, zeigt, wie sich die Aufmerksamkeit von der visuellen Verarbeitung zur Handlungsreaktion entwickelt und dabei ein Kontinuum kortikaler Netzwerke umfasst.

Die Studie stellt drei nacheinander aktivierte Netzwerke vor und befasst sich mit dem Phänomen der „Hemmung der Rückkehr“, einem natürlichen Filter für vertraute Bilder. Diese bahnbrechende Forschung liefert ein klareres Verständnis der Aufmerksamkeitsmechanismen des Gehirns und bietet potenzielle Wege zur Verbesserung der Behandlung von Schlaganfallüberlebenden und anderen Menschen mit Aufmerksamkeitsdefiziten.

Wichtige Fakten:

1. Einblicke in Tiefenelektroden: Bei Epilepsiepatienten platzierte Tiefenelektroden bieten einen beispiellosen Einblick in die neuronale Aktivität während Aufmerksamkeitsverschiebungen und decken rund 1.400 Gehirnregionen ab.
2. Aufmerksamkeitsdynamik: Die Forschung hebt eine sequentielle Aktivierung kortikaler Netzwerke von der visuellen Verarbeitung bis zur Aktion hervor und veranschaulicht ein Entwicklungskontinuum der Aufmerksamkeit im Kortex.
3. Rückgabeverbot: Die Studie untersucht die neuronalen Grundlagen dieses Aufmerksamkeitsfilters, der dabei hilft, vertraute Reize zu ignorieren, und beleuchtet seine Rolle bei der effizienten Erkundung sowie seine Auswirkungen auf die Behandlung von Aufmerksamkeitsstörungen.

Quelle: Pariser Gehirninstitut

In einer Welt, die ständig mit neuen Informationen – Benachrichtigungen, Anzeigen, E-Mails, Nachrichten – überschwemmt wird, fällt es uns oft schwer, zu verhindern, dass unsere Aufmerksamkeit ständig von externen Ereignissen in Beschlag genommen wird. Aber liegt es wirklich in unserer Macht, unsere Wahrnehmungen zu filtern und auszuwählen? Und warum lassen wir uns so leicht ablenken?

„Exogene Aufmerksamkeit, der kognitive Prozess, der es einem hervorstechenden visuellen Reiz ermöglicht, sich auf uns aufzudrängen, erfolgt automatisch. Wenn ein Kollege an unserem Schreibtisch vorbeigeht, wird unsere Aufmerksamkeit wider Willen von unserem Computerbildschirm abgelenkt“, erklärt er Tal Seidel Malkinson (Universität Lothringen), ehemaliger Postdoktorand am Paris Brain Institute und jetzt Professor und Forscher in den Neurowissenschaften.

„Dieses Phänomen ist jedem nur allzu vertraut, der versucht, konzentriert zu bleiben. Dennoch sind die dahinter stehenden Gehirnmechanismen immer noch kaum verstanden.“

Funktionelles MRT oder Elektroenzephalogramm (EEG) werden normalerweise verwendet, um das neuronale Substrat auf exogene Aufmerksamkeit zu untersuchen, diese Techniken sind jedoch durch eine schlechte zeitliche oder räumliche Auflösung eingeschränkt.

„Um zu verfolgen, wie das Gehirn räumliche Aufmerksamkeit aufbaut – wozu große und schnelle neuronale Netze gehören – mussten wir die elektrische Aktivität von Neuronen im gesamten Kortex sehr detailliert aufzeichnen“, fügt der Forscher hinzu.

So nah wie möglich an Neuronen

Zu diesem Zweck rekrutierten Malkinson und ihre Kollegen 28 Patienten, die im Rahmen einer präoperativen Untersuchung auf arzneimittelresistente Epilepsie Tiefenelektroden erhielten. Die für jeden Patienten individuell platzierten Elektroden deckten etwa 1.400 Kontaktzonen tief im Gehirn ab und ermöglichten den Forschern einen detaillierten Einblick in die neuronale Aktivität bei Aufmerksamkeitstests.

Die Teilnehmer mussten auf zwei Kästchen schauen, die durch ein kleines Kreuz getrennt waren, um ihre Aufmerksamkeit zu lenken. Gelegentlich erschien ein Ziel im Feld links oder rechts; Die Testperson musste einen Knopf drücken, um zu signalisieren, dass sie es gesehen hatte.

Schließlich wurden den Zielen periphere visuelle Hinweise vorangestellt, die in der Lage waren, die Aufmerksamkeit des Probanden zu fesseln und anzukündigen, wo das Ziel im Begriff war, aufzutauchen (gültiger Hinweis) oder im gegenüberliegenden Bereich (ungültiger Hinweis).

„Dieses Protokoll ist nützlich, um zu messen, unter welchen Bedingungen die Aufmerksamkeit von einem Ereignis erfasst oder auf ein anderes umgelenkt wird“, beschreibt Paolo Bartolomeo (Inserm), Co-Autor der Studie.

„Es ermöglicht auch, die Reaktionszeit der Probanden zu messen und zu verstehen, welche visuellen Reize das Gehirn wahrscheinlich gruppiert – um sie entweder als einzelnes Ereignis oder als aufeinanderfolgende Ereignisse zu verarbeiten.“

Um die hochkomplexen Daten aus den intrazerebralen Aufzeichnungen zu interpretieren, haben Tal Seidel Malkinson und Jacobo Sitt (Inserm) eine unbeaufsichtigte Lernmethode entwickelt: Ein Algorithmus gruppiert die Elektroden, die über die Zeit eine ähnliche Aktivität aufweisen, um die globale Dynamik der untersuchten Bereiche offenzulegen. Dieser Ansatz ermöglicht es Forschern, die Gehirnaktivität zu beobachten und gleichzeitig den Einfluss ihrer theoretischen Vorurteile zu reduzieren.

Der Aufmerksamkeitsgradient in Aktion

Ihre Ergebnisse identifizierten drei kortikale Netzwerke, die nacheinander von der Rückseite zur Vorderseite des Gehirns aktiviert wurden, wenn die Aufmerksamkeit der Teilnehmer durch visuelle Reize gefesselt wurde, als würde sich die Aufmerksamkeit im Kortex allmählich entwickeln, bis die endgültige Reaktion des Probanden – in diesem Fall drückend – einsetzte ein Knopf.

„Es gibt ein Kontinuum der Aktivität im Kortex. In Netzwerken, die in den parietookzipitalen Regionen identifiziert wurden, verarbeitet die Gehirnaktivität zunächst visuelle Informationen. Dann spiegelt es in den Frontalregionen die Verhaltensreaktion wider“, erklärt Malkinson.

„Wir haben gezeigt, dass Aufmerksamkeit wie eine Brücke zwischen diesen beiden Polen entsteht. In gewisser Weise verbindet Aufmerksamkeit die Wahrnehmung mit der Handlung!“

„Dies ist das erste Mal, dass die Dynamik exogener Aufmerksamkeitsnetzwerke sowie ihr Platz in der Organisation des Kortex so deutlich sichtbar werden“, sagt Bartolomeo.

„Darüber hinaus ermöglichte uns diese Arbeit, das neuronale Korrelat der Rückkehrhemmung zu beobachten– ein Aufmerksamkeitsphänomen, bei dem eine längere Reaktionszeit beobachtet wird, wenn jemand in einem Raumbereich, den er bereits erkundet hat, visuellen Reizen ausgesetzt ist, verglichen mit einem Raumbereich, der noch unbekannt ist.“

Die Rückkehrsperre ist ein Filter, der es uns ermöglicht, bekannte visuelle Informationen automatisch zu ignorieren. Wenn wir beispielsweise versuchen, ein Eichhörnchen in einem Baum zu entdecken, stehen die von uns untersuchten Äste nicht mehr im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit, selbst wenn sie im Wind wehen.

„Die Hemmung der Rückkehr fördert wahrscheinlich eine effiziente Exploration“, fügt der Forscher hinzu.

„Bei einigen Patienten, die einen Schlaganfall erlitten haben, ist es häufig defekt. Eine Erweiterung unseres Wissens über die Mechanismen der Aufmerksamkeit könnte langfristig dazu beitragen, sie besser zu behandeln.“

Über diese Neuigkeiten aus den Bereichen visuelle Neurowissenschaften und Aufmerksamkeitsforschung

Autor: Marie Simon
Quelle: Pariser Gehirninstitut
Kontakt: Marie Simon – Paris Brain Institute
Bild: Das Bild stammt von Neuroscience News

Ursprüngliche Forschung: Offener Zugang.
„Intrakortikale Aufzeichnungen offenbaren kortikale Gradienten vom Sehen zum Handeln, die die exogene Aufmerksamkeit antreiben“ von Tal Seidel Malkinson et al. Naturkommunikation

---

Abstrakt

Intrakortikale Aufzeichnungen offenbaren kortikale Gradienten vom Sehen zum Handeln, die die exogene Aufmerksamkeit antreiben

Exogene Aufmerksamkeit, der Prozess, der äußere hervorstechende Reize aus einer visuellen Szene hervortreten lässt, ist überlebenswichtig. Wie aufmerksamkeitserregende Ereignisse die Verarbeitung des menschlichen Gehirns modulieren, bleibt unklar.

Hier zeigen wir, wie sich das psychologische Konstrukt der exogenen Aufmerksamkeit allmählich über große Gradienten im menschlichen Kortex herausbildet, indem wir die Aktivität von 1.403 intrakortikalen Kontakten analysieren, die 28 Personen implantiert wurden, während sie eine Aufgabe der exogenen Aufmerksamkeit ausführten.

Der Zeitpunkt, der Ort und die Aufgabenrelevanz von Aufmerksamkeitsereignissen definierten einen räumlich-zeitlichen Gradienten von drei neuronalen Clustern, der auf kortikale Gradienten abgebildet wurde und eine Hierarchie von Zeitskalen darstellte.

Visuelle Attribute modulierten die neuronale Aktivität an einem Ende des Gradienten, während sie am anderen Ende den bevorstehenden Reaktionszeitpunkt widerspiegelten, wobei Aufmerksamkeitseffekte am Schnittpunkt von visuellen und Reaktionssignalen auftraten.

Diese Ergebnisse stellen mehrstufige Aufmerksamkeitsmodelle in Frage und legen nahe, dass frontoparietale Netzwerke, die aufeinanderfolgende Reize als separate Ereignisse am selben Ort verarbeiten, exogene Aufmerksamkeitsphänomene wie die Hemmung der Rückkehr antreiben.