Wie die Umwelt unsere Wahrnehmung formt: Kleinhirn zuständig für Wahrnehmungslernen

„Adaptation und perzeptuelles Lernen sind essenziell, um die Konsequenzen eines möglichen Fehlverhaltens zu verringern. Durch Lernen erwerben wir Vorwissen und entwickeln Vorhersagen, die es uns erlauben adäquat und rechtzeitig auf unsere Umwelt zu reagieren“, sagt Dr. Axel Lindner vom Hertie-Institut für klinische Hirnforschung (HIH) und der Neurologischen Klinik des Universitätsklinikums Tübingen. Dafür müssen Kleinhirn und Großhirn in wechselseitigem Austausch stehen. Die Studie wurde gesunden Probanden und Patienten mit Kleinhirnerkrankungen durchgeführt.

Kleinhirn ganz groß
Nahezu alle sensorischen Informationen laufen nicht nur ins Großhirn, sondern stehen auch dem Kleinhirn zur Verfügung. „Es scheint dabei, als ob das Kleinhirn die Verarbeitungsprozesse im Großhirn simuliert um diese vorherzusagen und gegebenenfalls zu korrigieren. Beide Strukturen bilden somit ein mächtiges Schleifensystem, das bei sensorischen Vorhersagen und deren Rekalibrierung ständig aktiv ist“, sagt Manuel Jan Roth vom Hertie-Institut für klinische Hirnforschung und der Neurologischen Klinik des Universitätsklinikums Tübingen. Dieses Arbeitsprinzip kennen Neurowissenschaftler bereits, wenn es um motorisches Lernen im Kleinhirn, auch Cerebellum genannt, geht. Die gleiche Arbeitsweise macht sich dieses Hirnareal beim Wahrnehmungslernen zu nutze, so die in der Publikation dargestellte Hypothese. Im Vergleich zu anderen Gehirnteilen zeichnet sich das Kleinhirn durch seinen regelmäßigen Aufbau aus, ähnlich einem immer wiederkehrenden Schaltkreis. „Diese kristalline Struktur legt nahe, dass das Kleinhirn ein einheitliches funktionales Rechen-Prinzip anbietet, das den unterschiedlichen Großhirnarealen zur Verfügung gestellt wird, ein Prinzip das die Optimierung sensorischer Vorhersagen auch für das Wahrnehmungslernen ermöglicht“, erklärt Lindner, der auch am Bernstein Zentrum für Computational Neuroscience (BCCN) und dem Werner Reichardt Centrum für Integrative Neurowissenschaften (CIN) in Tübingen forscht, die Arbeitsweise des Kleinhirns.

Sensorische Vorhersagen in der Praxis
Am Beispiel einer vermeintlich einfachen Handlung lässt sich die Notwendigkeit exakter sensorischer Vorhersagen gut verdeutlichen: Wollen wir eine Ketchup-Flasche mit dem Schlag einer Hand auf den Flaschenboden leeren, muss die andere Hand die Flasche festhalten. Damit dies gelingt, müssen wir in der Lage sein, Kraft und exakten Zeitpunkt, mit der die Hand auftrifft, vorherzusagen. Warten wir das auftreffen der Hand auf den Flaschenboden ab, reagieren wir zu spät. Denn durch die zeitlichen Verzögerungen, die durch die Nervenbahnen zum Gehirn entstehen, startet das notwendige Bewegungsprogramm nicht rechtzeitig. Um diese zeitliche Lücke zu überbrücken, erzeugt das Gehirn eine passende motorische Vorhersage. Das gleiche Prinzip greift bei der Wahrnehmung: Wollen wir eine Straße vor einem Auto sicher überqueren, müssen wir in der Lage sein korrekt vorherzusehen, wann das Fahrzeug unseren Weg kreuzt. „Damit solche sensorische Vorhersagen immer exakt sind, werden sie durch das Kleinhirn ständig rekalibriert, also an veränderte Umweltbedingungen, angepasst“, erklärt Roth seine Resultate (wie auch die Grafik zeigt). Die Ergebnisse der Studie sind auch von großer Relevanz für das Verständnis der Folgen von Kleinhirnerkrankungen: Denn Schwächen bei Kontrolle und Wahrnehmung von Bewegungen könnten auch auf einer Störungen der Rekalibrierung von sensorischen Vorhersagen beruhen.

Originaltitel der Publikation
Roth et al., The Cerebellum Optimizes Perceptual Predictions about External Sensory Events, Current Biology Volume 23, Issue 10, 930-935; http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2013.04.027

Pressekontakt bei Rückfragen
Silke Jakobi
Leiterin Kommunikation
HIH Hertie-Institut für klinische Hirnforschung
Zentrum für Neurologie, Universitätsklinikum Tübingen
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Fax 07071/29-4796
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