Stellen Sie sich vor, Sie gehen in der afrikanischen Savanne entlang. Plötzlich bemerkt man einen sich bewegenden Busch, der teilweise ein großes gelbes Objekt verdeckt. Aus diesen begrenzten Informationen müssen Sie herausfinden, ob Sie in Gefahr sind und entscheiden, wie Sie reagieren sollen. Ist es ein Haufen trockenes Gras? Oder ein hungriger Löwe?

In solchen Situationen müssen unsere Gehirne komplexe und unsichere visuelle Informationen verwenden, um Entscheidungen in Sekundenbruchteilen zu treffen. Die Schlüsse und nachfolgenden Entscheidungen, die wir auf Grundlage dessen treffen, was wir sehen, können den Unterschied ausmachen, ob wir angemessen auf eine Bedrohung reagieren und zur nächsten Mahlzeit eines Löwen werden.

Traditionell haben Neurowissenschaftler die visuelle Informationsverarbeitung als eine Kette von Ereignissen betrachtet, die nacheinander passieren und das Eingangssignal (von den Augen) filtern, das sich über Raum und Zeit verändert. Aber in letzter Zeit haben wir begonnen, den Prozess als viel dynamischer und interaktiver zu betrachten. Während das visuelle System versucht, Ungewissheit in den sensorischen Informationen, die es empfängt, zu lösen, verwendet es sowohl Vorwissen als auch aktuelle Beweise, um fundierte Vermutungen über das, was vor sich geht, zu machen.

Visuelles System: viel mehr als Augen

Die Augen sind natürlich entscheidend dafür, wie wir sehen, was um uns herum passiert. Aber der Großteil des intensiv untersuchten menschlichen Sehsystems liegt im Gehirn.

Die Netzhaut im Augenhintergrund enthält Photorezeptoren, die Licht in der Umgebung wahrnehmen und darauf reagieren. Diese Photorezeptoren wiederum aktivieren Neuronen, die Informationen an den visuellen Kortex des Gehirns im Hinterkopf übertragen. Der visuelle Kortex verarbeitet dann die Rohdaten, so dass wir Entscheidungen darüber treffen können, wie wir reagieren und uns angemessen verhalten, basierend auf der ursprünglichen Eingabe in die Augen.

Der visuelle Kortex ist in einer anatomischen und funktionellen Hierarchie organisiert. Jedes Stadium unterscheidet sich von jedem anderen, sowohl was seine mikroskopische Anatomie als auch seine funktionelle Rolle und Physiologie betrifft - das heißt, wie die Neuronen auf verschiedene Reize reagieren.

Traditionell dachten die Forscher, dass diese Hierarchie die Informationen Schritt für Schritt von unten nach oben filtert. Sie glaubten, dass jede Verarbeitungsstufe des visuellen Gehirns eine verfeinerte Form des visuellen Signals, das sie von den unteren Ebenen empfangen hat, nach oben führt. Zum Beispiel werden in einer Stufe der Hierarchie kontrastreiche Kanten aus der Szene extrahiert, um später Grenzen für Formen und Objekte zu bilden.

Das ursprüngliche Denken ging davon aus, dass die höchsten Ebenen des visuellen Kortex in seinem Muster der Neuronenaktivität letztlich eine sinnvolle Darstellung der Welt enthalten würden, auf die wir dann reagieren könnten. Aber einige neuere Entwicklungen in den Neurowissenschaften haben diese Ansicht auf den Kopf gestellt.

Die Welt - und damit das visuelle Umfeld - ist von Moment zu Moment höchst unsicher. Darüber hinaus wissen wir aus vielen Studien dass die Kapazität des visuellen Gehirns auffallend begrenzt ist. Das Gehirn stützt sich auf Prozesse wie visuelle Aufmerksamkeit und visuelles Gedächtnis um diese begrenzten Ressourcen effizient zu nutzen.

Wie genau kann das Gehirn in einer höchst unsicheren Umgebung mit einer begrenzten Menge an Informationen effektiv navigieren? Die Antwort ist, es spielt die Chancen und spielt.

Chance auf beste Schätzungen

Das Gehirn muss begrenzte Eingaben von mehrdeutigen und variablen Informationen verwenden, um eine fundierte Vermutung darüber zu erhalten, was in seiner Umgebung passiert. Wenn diese Vermutungen richtig sind, können sie die Grundlage für gute Entscheidungen bilden.

Um dies zu tun, spielt das Gehirn im Wesentlichen auf der Informationsmenge, die es hat. Basierend auf einer kleinen Auswahl an sensorischen Informationen, wettet es darauf, was die Welt ihm sagt, um das bestmögliche Auszahlungsverhalten zu erhalten.

Betrachten Sie das Beispiel des sich bewegenden Busches in der Savanne. Sie sehen ein verschwommenes, großes gelbes Objekt, das vom Busch verdeckt ist. Hat dieser Gegenstand den Busch bewegt? Was ist der gelbe Klecks? Ist es eine Bedrohung?

Diese Fragen sind relevant für das, was wir als nächstes in Bezug auf unser Verhalten tun. Die Verwendung der begrenzten visuellen Information (beweglicher Busch, großes gelbes Objekt) ist auf eine wirksame Weise verhaltensrelevant. Wenn wir daraus folgern, dass das gelbe Objekt tatsächlich ein Löwe oder ein anderes Raubtier ist, können wir uns dafür entscheiden, schnell in die entgegengesetzte Richtung zu gehen.

Schlussfolgerung kann als eine Schlussfolgerung definiert werden, die sowohl auf Fakten als auch auf Schlussfolgerungen basiert. In diesem Fall basiert die Schlussfolgerung (das ist ein Löwe) auf beiden Beweisen (großes gelbes Objekt, beweglicher Busch) und Schlussfolgerung (Löwen sind groß und in der Savanne vorhanden). Neurowissenschaftler denken daran probabilistische Inferenz als eine Berechnung die Kombination von Vorinformation und aktuellen Beweisen.

Zwei-Wege-Gehirnverbindungen

Neuroanatomische und neurophysiologische Beweise in den letzten zwei Jahrzehnten haben gezeigt, dass die Hierarchie im visuellen Kortex eine große Anzahl von Verbindungen enthält von unten nach oben und von oben nach unten gehen auf jeder Ebene. Anstatt dass Informationen durch einen invertierten Trichter fließen und immer raffinierter werden, scheint das visuelle System eher eine interaktive Hierarchie zu sein. Es funktioniert anscheinend, um die Unsicherheit in der Welt durch einen konstanten Feedback- und Feed-Forward-Zyklus zu lösen. Dies ermöglicht die Kombination von Prost aktuelle Beweise und Top-down- vorherige Information auf allen Ebenen der Hierarchie.

Die anatomischen und physiologischen Beweise, die auf ein stärker vernetztes visuelles Gehirn hinweisen, werden durch Verhaltensexperimente gut ergänzt. Bei einer Reihe von visuellen Aufgaben - Objekte erkennen, Suche nach einem bestimmten Objekt unter irrelevanten Objekten und Erinnerung an kurz präsentierte visuelle Informationen - Menschen erfüllen die Erwartungen, die sich aus den Regeln der probabilistischen Inferenz ergeben. Unsere Verhaltensvorhersagen, die auf der Annahme basieren, dass die Wahrscheinlichkeitsinterferenzen diesen Fähigkeiten zugrunde liegen, entsprechen sehr gut den tatsächlichen experimentellen Daten.

Informierte Vermutungen, Minimierung von Fehlern

Neurowissenschaftler haben vorgeschlagen, dass das Gehirn sich durch natürliche Selektion entwickelt hat, um die Disparität zwischen dem, was wahrgenommen wird und dem, was erwartet wird, aktiv zu minimieren. Die Minimierung dieser Diskrepanz erfordert notwendigerweise die Verwendung von probabalistischer Inferenz, um Aspekte der eingehenden Information basierend auf vorherigem Wissen über die Welt vorherzusagen. Neurowissenschaftler haben diesen Prozess benannt prädiktive Codierung.

Viele der Daten, die den prädiktiven Kodierungsansatz unterstützt haben, sind durch die Untersuchung des visuellen Systems entstanden. Aber jetzt sind Forscher beginnen, die Idee zu verallgemeinern und es auf andere Aspekte der Informationsverarbeitung im Gehirn anwenden. Dieser Ansatz hat viele mögliche zukünftige Richtungen für die moderne Neurowissenschaft ergeben, einschließlich des Verständnisses der Beziehung zwischen Low-Level-Reaktionen einzelner Neuronen und höhere neuronale Dynamik (wie die Gruppenaktivität in einem Elektroenzephalogramm oder EEG aufgezeichnet).

Während die Vorstellung, dass Wahrnehmung ein Prozess der Schlussfolgerung ist, ist nicht neuDie moderne Neurowissenschaft hat es in den letzten Jahren wiederbelebt - und es hat das Gebiet dramatisch verändert. Darüber hinaus verspricht der Ansatz ein besseres Verständnis der Informationsverarbeitung nicht nur für visuelle Informationen, sondern auch für alle Formen von sensorischen Informationen sowie für Prozesse auf höherer Ebene wie Entscheidungsfindung, Gedächtnis und bewusstes Denken.

Über den Autor

Alex Burmester, wissenschaftlicher Mitarbeiter in Wahrnehmung und Erinnerung, New York University

Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am Das Gespräch.. Lies das Original Artikel.

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