Widerlegung des stillen Gedächtnisses: Das Gehirn verarbeitet unaufmerksame Informationen aktiv

Zu verstehen, wie das menschliche Gehirn Informationen speichert und sie dann für verschiedene Aufgaben nutzt, ist seit langem ein wichtiges Forschungsziel in Neurowissenschaften und Psychologie. Wissenschaftler haben bereits verschiedene Gedächtnistypen identifiziert, jeder mit seinen eigenen Eigenschaften und Funktionen.

Ein solcher Typ ist das Arbeitsgedächtnis. Es umfasst die kurzfristige Speicherung und Verarbeitung wichtiger Informationen, insbesondere solcher, die für logische Aufgaben oder Entscheidungen in naher Zukunft benötigt werden. Untersuchungen zeigen, dass diese temporäre Speicherung von Informationen mit der konstanten und anhaltenden Aktivität bestimmter Neuronen im Gehirn verbunden ist.

In den meisten bisherigen Studien zum Arbeitsgedächtnis wurden Aufgaben verwendet, bei denen die Teilnehmer aufgefordert wurden, sich an alle ihnen vorgelegten Informationen zu erinnern.

Allerdings gibt es nur sehr wenige Studien, die sich mit der Frage beschäftigt haben, wie das Gehirn „unaufmerksame“ Informationen speichert, also Reize, die derzeit nicht im Fokus der Aufmerksamkeit stehen und für die aktuelle Aufgabe nicht direkt relevant sind.

Wissenschaftler der Polnischen Akademie der Wissenschaften, der SUNY Upstate, des Militärkrankenhauses in Elk und der Medizinischen Universität Breslau beschlossen, die Gültigkeit eines theoretischen Modells zu testen, das die Existenz eines „Aktivitäts-Still-Mechanismus“ nahelegt, der für die Speicherung unaufmerksamer Informationen verantwortlich ist.

Ihre in der Fachzeitschrift Nature Human Behaviour veröffentlichten Ergebnisse stellen diese theoretische Annahme in Frage und zeigen stattdessen, dass die Speicherung unaufmerksamer Informationen auch mit neuronaler Aktivität verbunden ist.

„Wir wissen, dass Elemente unseres Arbeitsgedächtnisses – unsere Gedanken – durch die Aktivität spezialisierter Neuronen repräsentiert werden“, sagte der leitende Autor Jan Kaminski gegenüber Medical Xpress.
„Wenn wir uns etwas merken müssen, werden bestimmte Neuronen aktiver. Wenn wir uns beispielsweise eine Telefonnummer merken, werden bestimmte Neuronen vorübergehend aktiver und speichern diese Information.“
„Jüngste Forschungen deuten jedoch darauf hin, dass die Aktivität der Neuronen auf das Grundniveau zurückkehrt, wenn ein Gedächtniselement vorübergehend unscharf ist – beispielsweise wenn wir uns eine Telefonnummer merken müssen, aber vorübergehend zu einer anderen Aufgabe wechseln.“

Diese Annahmen basierten größtenteils auf Daten, die mit nicht-invasiven Methoden wie EEG und fMRI gewonnen wurden. Diese Methoden messen jedoch die durchschnittliche Aktivität von Hunderttausenden von Neuronen, was bedeutet, dass die Aktivität einer kleinen Gruppe von Zellen durch die Inaktivität der umliegenden Neuronen „verschluckt“ werden kann.

„Unser Labor ist auf die direkte Aufzeichnung neuronaler Aktivitäten während invasiver klinischer Verfahren spezialisiert, beispielsweise der Implantation von Elektroden in das Gehirn von Patienten zur Überwachung von Epilepsie“, sagt Kaminski.
„Dies bietet eine einzigartige Gelegenheit, die Hypothese der stillen Aktivität direkt zu testen. In dieser Studie haben wir die Aktivität von Neuronen im Temporallappen aufgezeichnet, die für ihre Rolle im Arbeitsgedächtnis bekannt sind.“

Den Versuchsteilnehmern wurden zwei Bilder gezeigt und sie sollten sich beide merken, sich im ersten Teil des Experiments jedoch nur auf eines konzentrieren. Später mussten sie entweder weiterhin auf dasselbe Bild fokussieren oder zu dem zuvor „unscharfen“ Bild wechseln.

„Dieses experimentelle Design wird als doppeltes Retro-Cue-Paradigma bezeichnet und wurde bereits in früheren Studien verwendet“, erklärt Katarzyna Paluch, die Erstautorin der Arbeit.
„Zur Aufzeichnung der Aktivität nutzten wir ein intrakranielles EEG, ein klinisches Verfahren, bei dem Elektroden chirurgisch direkt in das Gehirn des Patienten eingesetzt werden, beispielsweise zur Diagnose von Epilepsie. Dadurch konnten wir die Aktivität einzelner Neuronen aufzeichnen.“

Während die Teilnehmer ihre Aufmerksamkeit von einem Bild zum anderen richteten, zeichneten die Wissenschaftler die Aktivität der Neuronen im Temporallappen auf, um zu verstehen, wie das Gehirn „nicht fokussierte“ Informationen speichert.

„Zu unserer Überraschung stellten wir fest, dass selbst das Bild, auf das sich der Teilnehmer nicht konzentrierte, weiterhin durch neuronale Aktivität repräsentiert wurde“, sagte Kaminski.
„Dies widerspricht der Hypothese der stillen Speicherung und zeigt, dass auch unscharfe Elemente im Arbeitsgedächtnis durch aktive neuronale Aktivität repräsentiert werden. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass ein großer Teil unseres Arbeitsgedächtnisses – diese mentale ‚Skizze‘ – durch aktive neuronale Aktivität aufrechterhalten wird.“

Gedanken und andere Informationen, die außerhalb des Fokus der Aufmerksamkeit liegen, werden also immer noch von aktiven Neuronen unterstützt und nicht von einem „stillen“ Mechanismus, wie zuvor angenommen.

Diese Erkenntnisse sind nicht nur von grundlegender Bedeutung für das Verständnis der Funktionsweise des Gedächtnisses, sondern können auch Einfluss auf die Entwicklung von Behandlungsmethoden für psychische Störungen haben, die mit einer Beeinträchtigung des Arbeitsgedächtnisses einhergehen, wie etwa ADHS, Zwangsstörungen und Schizophrenie.

„Unsere Ergebnisse lassen uns beispielsweise über die Entwicklung neuronaler Implantate oder elektrischer Stimulatoren nachdenken, die dabei helfen können, bestimmte Informationen im Arbeitsgedächtnis zu speichern und so die Therapiemöglichkeiten zu erweitern“, fügte Kaminski hinzu.
„Unser Labor untersucht derzeit weiterhin das Arbeitsgedächtnis und seine neuronalen Mechanismen anhand direkter Aufzeichnungen der Gehirnaktivität.
Zukünftig planen wir zu untersuchen, wie das Gehirn zwischen dem Speichern aktueller Informationen und dem Abrufen neuer Informationen wechselt, was für flexible kognitive Aktivitäten entscheidend ist.“