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Der neuronale Mechanismus der Motivation Warum wir tun, was wir tun: zielgerichtetes Verhalten im Gehirn

Quelle: Pressemitteilung

„Steck Elektroden ins Gehirn einer Ratte und gib ihr einen Orgasmus-Knopf, dann drückt sie solange bis sie verhungert.“ Dieses Zitat aus der Serie Big-Bang-Theorie steht plakativ für die Macht des Gehirns über unsere Handlungen. Doch was ist, wenn die erwartete Belohnung ausbleibt? Forscher aus der Schweiz haben die neuronalen Mechanismen von Motivation untersucht und dabei die Wandlungsfähigkeit des Gehirns demonstriert.

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Was passiert im Gehirn einer Maus, wenn sie ihr Verhalten anpasst, um ein bestimmtes Ziel zu erreichen? (Symbolbild)
Was passiert im Gehirn einer Maus, wenn sie ihr Verhalten anpasst, um ein bestimmtes Ziel zu erreichen? (Symbolbild)
(Bild: gemeinfrei, ColiN00B/bearbeitet von VCG / Pixabay )

Basel/Schweiz – Stellen Sie sich vor, Sie gehen jeden Tag in eine Bäckerei, nur um ein bestimmtes Brot zu kaufen. Dann erfahren Sie, dass Ihr Lieblingsbrot dort künftig nicht mehr verkauft wird und gehen nicht mehr dorthin. Dies ist zielgerichtetes Verhalten, und in Wissenschaftskreisen weiß man, dass die Amygdala – das kleine mandelförmige Gefühlsverarbeitungszentrum im Gehirn – an der Steuerung dieses Verhaltens beteiligt ist.

Bisher wurde die Rolle der Amygdala bei Mäusen im so genannten „Signal-gesteuerten Verhalten“ untersucht: Dabei ist ein visueller oder auditiver Hinweis (z. B. ein Geräusch) das Signal dafür, dass etwas passieren wird (etwa, dass die Maus Zucker erhalten wird). Dieses Signal veranlasst die Maus zu einem bestimmten Verhalten (z. B. wird sie zu dem Ort im Käfig gehen, an dem sie den Zucker erhält). Wie die Amygdala jedoch an zielgerichtetem Verhalten beteiligt ist, war bisher unklar. Es gab keine Untersuchungen dafür, wenn Mäuse etwas ohne Hinweise und in ihrem eigenen Tempo tun, um ein Ziel zu erreichen.

Mäuse am Zucker-Automat

In einer neuen Studie trainierte Julien Courtin vom Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research (FMI) in der Schweiz Mäuse mit einer zielgerichteten Aufgabe: Im Laufe mehrerer Tage lernten die Tiere, dass sie beim Betätigen eines Hebels einen Tropfen Zuckerlösung und beim Betätigen eines anderen Hebels einen Tropfen Milch erhielten.

Wenn eine Maus einen Hebel betätigt, um eine Belohnung zu erhalten, werden in ihrem Gehirn verschiedene Gruppen von Neuronen aktiv. Diese Aktivitätsmuster hängen von dem bestimmten Ziel ab, das die Maus vor Augen hat.
Wenn eine Maus einen Hebel betätigt, um eine Belohnung zu erhalten, werden in ihrem Gehirn verschiedene Gruppen von Neuronen aktiv. Diese Aktivitätsmuster hängen von dem bestimmten Ziel ab, das die Maus vor Augen hat.
(Bild: FMI)

Sobald die Tiere diese Aufgaben beherrschten, passte Courtin den Versuch an: Er gab den Mäusen die Belohnung, ohne sie den Hebel drücken zu lassen; oder er ließ sie den Hebel ohne Belohnung drücken; oder er erlaubte den Mäusen, sich mit einer der Belohnungen vollzustopfen. Während all dieser verschiedenen Handlungen der Mäuse zeichnete Courtin deren Hirnaktivität in der Amygdala auf und entwickelte zusammen mit der Bioinformatikerin Yael Bitterman neue Analysemethoden, um den zugrunde liegenden neuronalen Code zu entschlüsseln.

Die Amygdala – eine Vorhersagemaschine für Verhalten

Courtin und Bitterman identifizierten die Populationen von Neuronen in der Amygdala, die an den verschiedenen Aspekten dieses zielgerichteten Verhaltens beteiligt sind. Sie zeigten z. B., dass eine bestimmte Gruppe (Population) von Neuronen aktiv war, wenn die Maus Hebel 1 drückte, um Belohnung 1 zu erwarten. Sobald jedoch Hebel 1 nicht mehr mit der Belohnung verbunden war, verlor diese Neuronengruppe ihre Aktivität. „Die Neuronenpopulation war nicht aktiv, weil die Maus den Hebel drückte, sondern weil der Hebel mit der Erwartung der Belohnung verbunden war“, erklärt Courtin die Beobachtung. „Als die Maus lernte, keine Belohnung mehr zu erwarten, verschwand diese Population“.

So zeigen die Ergebnisse, dass nicht nur die Art der Belohnung, ihre Größe und Eintrittswahrscheinlichkeit in der Amygdala repräsentiert sind, sondern auch ihr „persönlicher“ Wert – ein flexibler Parameter, der von vielen Faktoren abhängt (etwa davon, wie hungrig die Maus ist). Die Amygdala leitet all diese Informationen an andere Hirnregionen weiter, die sie dann nutzen, um entsprechende Entscheidungen zu treffen und das Verhalten an die möglichen Belohnungen anzupassen.

Forschungsgruppenleiter Prof. Dr. Andreas Lüthi erklärt: „Allein durch die Betrachtung der Amygdala waren wir in der Lage, ein detailliertes Bild von der Belohnung zu erhalten, die die Maus erwartete, und was sie tun musste, um sie zu bekommen. Die Amygdala macht Vorhersagen – wenn ich X tue, werde ich Y bekommen – und sie passt diese Vorhersagen entsprechend den Veränderungen an. Es gibt keine andere Gehirnstruktur, die so präzise vorhersagen kann, was passieren wird.“

Relevanz für uns Menschen

Die Experimente von Courtin und Bitterman mit Mäusen lassen sich auf menschliches Verhalten übertragen: Jeden Tag führen wir Hunderte von Handlungen mit bestimmten Erwartungen aus. Wenn die Erwartungen nicht erfüllt werden, passen wir unser Verhalten an – wir tun etwas anders, oder wir verfolgen eine Handlung seltener oder öfter. Dieselben neuronalen Mechanismen in der Amygdala, die diese Studie bei Mäusen aufzeigte, liegen laut den Forschern auch unserem Verhalten zugrunde.

Die Fähigkeit, unser Verhalten auf der Grundlage von Vorhersagen anzupassen, ist für uns Menschen von grundlegender Bedeutung. Aber manchmal sind diese Prozesse beeinträchtigt, beispielsweise bei Sucht, Depression, Zwangsstörungen oder Parkinson. „Bei diesen Erkrankungen wird die von uns aufgeklärte Verhaltenssequenz im Gehirn möglicherweise nicht richtig reguliert“, sagt Courtin. „Dies könnte ein Weg für die klinische Forschung sein. Allerdings besteht die größte Herausforderung darin: Wie können wir in einen Prozess eingreifen, der im Gehirn schief gelaufen ist, wenn er in so kurzer Zeit abläuft?“

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Originalpublikation: J. Courtin, Y. Bitterman, S. Müller, J. Hinz, K. M. Hagihara, C. Müller & A. Lüthi: A neuronal mechanism for motivational control of behavior., Science, 7 Jan 2022, Vol 375, Issue 6576, DOI: 10.1126/science.abg7277

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