Überraschung im Gehirn untersucht Erwarte das Unerwartete – Warum ein erwachsenes Gehirn seltener überrascht ist

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Erwachsene sind viel seltener überrascht als Kinder. Dies liegt auch an Entwicklungen im Gehirn. So haben Forscher der Universität Basel bei Mäusen nachgewiesen, dass sich die verschiedenen Regionen des Gehirns nach und nach anpassen und anders auf unvorhergesehene Reize reagieren.

Für Kinder steckt die Welt voller Überraschungen – Erwachsene überrascht kaum noch etwas. Wie genau „Überraschung“ im Hirn verarbeitet wird, verändert sich mit dem Heranwachsen: Ungewöhnliche Reize landen viel schneller in Kategorien wie „wichtig“ oder „uninteressant“ und überraschen beim zweiten und dritten Auftauchen deutlich weniger. Diese gesteigerte Effizienz der Reizbewertung ist durchaus sinnvoll: Neue Reize erregen zwar Aufmerksamkeit, lösen aber keine unnötig starke Reaktion aus, die Energie kosten würde. Was zunächst trivial scheint, ist auf der Ebene der Hirnentwicklung noch kaum erforscht.

Durch Versuche mit jungen Mäusen hat ein Team um die Neurowissenschaftlerin Prof. Dr. Tania Barkat von der Universität Basel nun entschlüsselt, wie das Gehirn überraschende Töne verarbeitet und was sich dabei im Heranwachsen verändert.

Schräge Töne überraschen die Hirnrinde am längsten

Bei ihren Versuchen setzten die Forschenden Tonfolgen ein, bei denen zwischen identischen Tönen in unregelmäßigen Abständen ein abweichender Ton auftauchte. Parallel zeichneten sie die Hirnströme der Tiere auf. Fachleute nennen den Test das „Oddball-Paradigma“ und setzen ihn beim Menschen unter anderem in der Diagnostik für Schizophrenie ein.

Über solche Messungen konnten die Forschenden nachvollziehen, wie sich bei den jungen Mäusen die Reaktion verschiedener Hirnregionen auf den abweichenden Ton über die Zeit hinweg veränderte. Anfangs fiel diese Reaktion sehr stark aus, nahm aber mit dem Heranreifen der jeweiligen Hirnregion ab – bis auf ein Niveau, das von Messungen bei erwachsenen Tieren bekannt ist. In den verschiedenen Schaltzentralen der Geräuschverarbeitung findet diese Entwicklung jedoch nicht gleichzeitig, sondern zeitversetzt statt.

So war eine Region namens Colliculi inferiores, die am Anfang des Weges vom Hörnerv zur Hörrinde liegt, bei den Tieren schon im Alter von 20 Tagen fertig ausgereift – dem frühesten Zeitpunkt, den das Team untersuchte. Eine zweite Schaltstation, der auditorische Thalamus, zeigte erst im Alter von 30 Tagen eine „erwachsene“ Reaktion auf den abweichenden Ton.

Noch länger, nämlich bis zum 50. Lebenstag, dauerte die Entwicklung in der Hirnrinde selbst, im so genannten primären auditorischen Cortex. „Dieses Heranwachsen der Überraschungsreaktion beginnt also in der Peripherie und endet in der Hirnrinde“, fasst Studienleiterin Barkat zusammen. Die Hirnrinde reife somit deutlich später aus als vermutet. In Menschenjahren entspräche der Zeitpunkt ungefähr einem Alter Anfang 20.

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Abgleich von innerem Weltbild mit Außenreizen

Eine weitere Beobachtung der Forschenden: Für diese letzte Stufe – die Entwicklung der Überraschungsreaktion in der Hirnrinde – spielen Erfahrungen eine wesentliche Rolle. Waren die Mäuse eine geräuschneutrale Umgebung gewohnt, entwickelte sich die Verarbeitung unerwarteter Töne im auditorischen Cortex stark verzögert.

Eine mögliche Erklärung dafür: Das Gehirn – und darin vor allem die Hirnrinde – macht sich aufgrund von Erfahrungen während des Heranwachsens ein inneres Bild der Welt, mit dem es äußere Reize abgleicht. Was nicht zu diesem „Weltbild“ passt, bedeutet eine Überraschung, hat aber unter Umständen auch ein Update des Weltbilds zur Folge. „Ohne Erfahrungen mit Geräuschen kann die Hirnrinde dieser Mäuse jedoch kein solches Modell der Welt entwickeln“, sagt Neurowissenschaftlerin Barkat. Entsprechend funktioniert die Einordnung von Tönen in „bekannt“ und „unerwartet“ nicht richtig.

Originalpublikation: Patricia Valerio, Julien Rechenmann, Suyash Joshi, Gioia De Franceschi, Tania Rinaldi Barkat: Sequential maturation of stimulus-specific adaptation in the mouse lemniscal 4 auditory system, Science Advances, 3 Jan 2024, Vol 10, Issue 1; DOI: 10.1126/sciadv.adi7624

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