Predictive Coding-Theorie

    Die Predictive Coding-Theorie besagt, dass bei der Wahrnehmung Signale nur dann zur Verarbeitung in höhere Hirnregionen gesendet werden, wenn Vorhersagen nicht erfüllt worden sind.

    Die Idee des Predictive Coding ist dabei durchaus kein neuer Ansatz, wie die menschliche Wahrnehmung bzw. wie das Gehirn funktioniert, sondern es gab in der Psychologie schon immer die durchaus plausible Hypothese, dass die menschlichen Sinne schon auf Grund der Komplexität der Umwelt und der damit verbundenen Informationsmengen nicht rein rezipierend arbeiten können, vielmehr arbeiten diese mit Hypothesen über die nächsten erwartbaren Informationen und erfordern nur dann ein Eingreifen höherer Zentren, wenn diese Hypothesen nicht bestätigt werden.

    Für die Neurowissenschaft bedeutet Predictive Coding. dass das Gehirn auf allen Ebenen seiner kognitiven Prozesse Modelle erzeugt, die beschreiben, was gerade auf der nächstniedrigeren Ebene vor sich geht. Diese Modelle übersetzt das Gehirn dann in Vorhersagen darüber, was es in einer bestimmten Situation erleben wird. So liefert das Gehirn immer die beste Erklärung für das, was geschieht und sorgt dafür, dass die gemachte Erfahrung auch Sinn ergibt. Danach werden die Vorhersagen als Feedback in die sensorischen Areale des Gehirns heruntergereicht und dort vergleicht es seine Vorhersagen mit den tatsächlichen Sinneseindrücken. Um dann die Ursachen für Abweichungen und Vorhersagefehler zu erklären, benutzt es wiederum interne Modelle, und leitet Vorhersagefehler, die nicht erklärt werden können, an höhere Ebenen des Netzwerks weiter, und zwar als Feedforward-Signal, die dann mit besonderer Priorität behandelt werden. Dabei werden in einem Prozess die internen Modelle so angepasst, dass der Vorhersagefehler unterdrückt wird.

    Predictive Coding begreift z. B. Wahrnehmung und motorische Steuerung als zwei Seiten derselben Informationsverarbeitung, denn in beiden Fällen minimiert das Gehirn Vorhersagefehler, bloß auf unterschiedliche Weise. Bei der Wahrnehmung wird das interne Modell angepasst, bei der motorischen Steuerung die Außenwelt selbst. Wenn man etwa doe Hand will und die Hand nicht bereits gehoben ist, erzeugt die wahrgenommene Diskrepanz einen großen Vorhersagefehler, der dadurch minimiert wird, indem man die Hand hebt.

    Angesichts der Bedeutung, die Vorhersagen für das tägliche Leben haben, könnten Beeinträchtigungen der Art und Weise, wie Erwartungen an die sensorischen Bahnen übermittelt werden, tiefgreifende Auswirkungen auf die Kognition haben. Lese-Rechtschreib-Schwäche, die am weitesten verbreitete Lernstörung, wurde bereits mit veränderter Verarbeitung in der Hörbahn und mit Schwierigkeiten in der auditorischen Wahrnehmung in Verbindung gebracht. Tabas et al. (2020) haben auch gezeigt, warum Menschen mit Lese-Rechtschreibschwäche Schwierigkeiten bei der Wahrnehmung von Sprache haben. Man maß dabei mittels funktioneller Magnetresonanztomographie die Gehirnreaktionen von Probanden, während diese Tonfolgen hörten. Diese wurden angewiesen, herauszufinden, welcher der Klänge in der Reihenfolge von den anderen abweicht. Die Erwartungen der Probanden wurden so verändert, dass sie den abweichenden Ton an bestimmten Stellen der Sequenz erwarten würden. Man konzentrierte sich dabei auf die Reaktionen, die die abweichenden Geräusche in zwei wichtigen Kernen der Hörbahn, die für die auditorische Verarbeitung verantwortlich sind, auslösten: dem colliculus inferior und dem medialen corpus geniculatum mediale. Obwohl die Teilnehmenden die abweichenden Töne schneller erkannten, wenn sie an Positionen platziert wurden, an denen sie diese erwarteten, verarbeiteten die Kerne der Hörbahn die Töne nur, wenn sie an unerwarteten Positionen platziert wurden. Diese Ergebnisse passen in eine allgemeine Theorie der sensorischen Verarbeitung, die die Wahrnehmung als einen Prozess der Hypothesenprüfung beschreibt, nämlich als prädiktive Kodierung, die davon ausgeht, dass das Gehirn ständig Vorhersagen darüber generiert, wie die physische Welt im nächsten Moment aussehen, klingen, sich anfühlen und riechen wird, und dass die Neuronen, die für die Verarbeitung der Sinne zuständig sind, Ressourcen sparen, indem sie nur die Unterschiede zwischen diesen Vorhersagen und der tatsächlichen physischen Welt darstellen. Offenbar haben die Überzeugungen einen entscheidenden Einfluss darauf, wie Menschen die Realität wahrnehmen, also diese Überzeugungen mit sensorischen Informationen abgleichen, wobei dieser Prozess auch in den einfachsten und evolutionär ältesten Teilen des Gehirns vorherrscht, sodass alles, was Menschen wahrnehmen, durch die subjektiven Überzeugungen über die Welt geprägt ist.

    Vorgeschichte

    Bis ins späte 20. Jahrhundert nahmen Hirnforscher an, dass das Gehirn eine Art Detektor für Muster in Sinnesdaten sei, d. h., es registriert Sinnesreize, verarbeitet sie und erzeugt ein Verhalten als Reaktion. Dabei repräsentiert die Aktivität einzelner Hirnzellen die An- oder Abwesenheit bestimmter Reize. Einige Neuronen im visuellen Cortex reagieren etwa nur auf die Kanten sichtbarer Objekte, andere auf deren Orientierung, Färbung oder Schattierung. Doch dieser Prozess erwies sich als weit komplizierter als zunächst angenommen, denn so ergaben  Experimente, dass die Neuronen, die auf Linien reagieren, aufhören zu feuern, wenn das Gehirn eine immer länger werdende Linie wahrnimmt, obwohl die Linie nicht verschwindet. Außerdem kann diese Detektortheorie nicht erklären, warum im Gehirn ein beträchtlicher Teil des Informationsflusses top-down verläuft, also von Arealen für komplexere Inhalte in Richtung jener, die einfachere Sinnesdaten verarbeiten. Darauf entwickelte man die Theorie des bayesschen Gehirns, der zufolge das Gehirn nicht einfach Sinnesmuster erkennt, sondern aus ihnen fortlaufend Schlüsse darüber zieht, was sich in der Welt mutmaßlich ereignet. Dabei folgt es den Regeln der bayesschen Wahrscheinlichkeitsrechnung, die die Wahrscheinlichkeit eines kommenden Ereignisses auf Basis vorheriger Erfahrungen ermittelt, d. h., statt auf Sinneseindrücke zu warten, konstruiert das Gehirn also ständig aktiv Hypothesen darüber, wie die Welt funktioniert. Dadurch erklärt es außerdem neue Erfahrungen und füllt Lücken, wenn die Sinnesdaten unvollständig sind, sodass Wahrnehmung so eine Art kontrollierte Halluzination darstellt.

    Literatur

    Brodski, Alla, Paasch, Georg-Friedrich, Helbling, Saskia & Wibral, Michael (2015). The Faces of Predictive Coding Journal of Neuroscience, 35, 8997–9006. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.1529-14.2015.
    Tabas, Alejandro, Mihai, Glad, Kiebel, Stefan, Trampel, Robert, von Kriegstein, Katharina, Shinn-Cunningham, Barbara, Griffiths, Timothy & Malmierca, Manuel (2020). Abstract rules drive adaptation in the subcortical sensory pathway. eLife, doi:10.7554/eLife.64501.
    https://www.spektrum.de/news/sagt-unser-gehirn-die-zukunft-voraus/1613666 (19-04-23)


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