Das Gehirn arbeitet mit „kognitiven Legosteinen“

Forschende des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Princeton University haben Hinweise darauf gefunden, dass das Gehirn nicht für jede Informationsart eine eigene, fest zugewiesene Nervenzellgruppe benötigt. Stattdessen können manche Zellverbände im präfrontalen Kortex wie wiederverwendbare Module des Arbeitsgedächtnisses funktionieren: Derselbe Verband kann zunächst einen erinnerten Sinnesreiz und später einen geplanten Handlungsschritt aufrechterhalten.

Was die Experimente mit Mäusen zeigten

Die Mäuse absolvierten eine sogenannte verzögerte Vergleichsaufgabe. Sie hörten zunächst einen hohen oder tiefen Ton, mussten ihn über eine kurze Pause hinweg behalten, ihn mit einem zweiten Ton vergleichen und anschließend die geplante Reaktion bis zur Antwort speichern. Währenddessen zeichneten die Forschenden die Aktivität Tausender Nervenzellen im medialen präfrontalen Kortex und im hinteren parietalen Kortex auf.

Die Auswertung ergab wiederverwendbare neuronale Teilräume für die Verarbeitung des Reizes und für die Aufrechterhaltung von Informationen im Arbeitsgedächtnis. Besonders im präfrontalen Kortex konnten Zellgruppen, die während der ersten Verzögerung die Erinnerung an den Ton stützten, in der späteren Phase offenbar zur Speicherung des Handlungsplans beitragen. Das spricht dafür, dass dieselbe grundlegende Rechenleistung mit unterschiedlichen Inhalten genutzt werden kann.

Im hinteren parietalen Kortex zeigte sich ein anderes Muster: Die dort erkannten Zellgruppen waren vergleichsweise stärker spezialisiert und trugen verlässlicher zu bestimmten Informationsarten bei. Der Gegensatz zwischen flexibler Wiederverwendung im präfrontalen Kortex und größerer Spezialisierung im Parietalkortex könnte auf eine Arbeitsteilung im Gehirn hindeuten.

Bestätigung durch künstliche neuronale Netze

Die Forschenden trainierten außerdem rekurrente neuronale Netze – Modelle, deren künstliche Einheiten Informationen über mehrere Verarbeitungsschritte hinweg behalten können – mit ähnlichen Aufgaben. Auch diese Netze entwickelten eine modulare Organisation, bei der bestimmte Zellgruppen für unterschiedliche Berechnungen wiederverwendet werden konnten. Das legt nahe, dass eine solche Architektur eine rechnerisch nützliche Lösung ist und nicht bloß eine Besonderheit der untersuchten Mäuse.

Warum von „kognitiven Legosteinen“ die Rede ist

Das Bild der „kognitiven Legosteine“ beschreibt die Idee, dass das Gehirn aus einer begrenzten Zahl wiederverwendbarer Bausteine viele verschiedene Verhaltensweisen zusammensetzen kann. Die Bausteine lassen sich je nach Aufgabe neu kombinieren – ähnlich wie Legosteine, aus denen unterschiedliche Modelle entstehen.

Für das Lernen könnte das mehrere Vorteile haben:

• Neue Aufgaben müssten nicht vollständig von Grund auf gelernt werden. Das Gehirn könnte bereits beherrschte Operationen wiederverwenden und nur ihre Kombination oder den Inhalt verändern.
• Die flexible Zusammensetzung könnte erklären, wie Menschen vergleichsweise schnell zwischen Aufgaben, Regeln, Erinnerungen und Handlungsplänen wechseln.
• Für die Entwicklung künstlicher Intelligenz könnte das Prinzip ein Vorbild sein. Viele KI-Systeme müssen für verwandte Aufgaben noch umfangreich nachtrainiert werden und riskieren dabei, zuvor Gelerntes zu verlieren.

Die Ergebnisse beweisen allerdings noch keinen vollständigen Mechanismus menschenähnlichen Denkens. Die Messungen bei Mäusen zeigen Aktivitätsmuster, die mit einer Umnutzung der Zellgruppen vereinbar sind. Sie belegen jedoch nicht, dass ein bestimmter Zellverband das Verhalten ursächlich hervorbringt.

Welche Tests als Nächstes geplant sind

In künftigen Experimenten sollen die identifizierten präfrontalen Zellgruppen zu bestimmten Zeitpunkten der Aufgabe gezielt gestört oder beeinflusst werden. Damit wollen die Forschenden prüfen, ob der Beitrag eines Zellverbands tatsächlich je nach Phase wechselt – von der Aufrechterhaltung der Sinneserinnerung zur Speicherung des Handlungsplans.

Die zentrale Vorhersage lautet: Wird derselbe Zellverband zu unterschiedlichen Zeitpunkten gestört, sollten jeweils andere Informationsfunktionen beeinträchtigt werden. Aus den vorliegenden Angaben geht jedoch nicht hervor, welche konkrete Methode eingesetzt werden soll oder wann genau die Versuche stattfinden.

Wie wurde die Studie finanziert?

Die bereitgestellten Quellen enthalten keine belastbaren Angaben zur Finanzierung dieser spezifischen MIT-Princeton-Studie. Eine Finanzierungsangabe der Princeton University, nach der ein Projekt vom US Office of the Director of National Intelligence und von den National Institutes of Health unterstützt wurde, bezieht sich auf ein separates Projekt zur Kartierung von Nervenverbindungen in Mäusen und sollte daher nicht dieser Untersuchung zugerechnet werden.