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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.

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.
https://www.spektrum.de/news/sagt-unser-gehirn-die-zukunft-voraus/1613666 (19-04-23)


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