Als neuronale Rauschen bezeichnet man die Variabilität einer Nervenzelle im Gehirn auf wiederholte Präsentation des gleichen Reizes, d. h., das Nervensystem reagiert auf einen objektiv identischen Reiz nicht immer in gleicher Weise. Alle Nervenzellen zeigen somit eine spontane Grundaktivität, wobei aber die Zellen immer etwas anders reagieren, auch wenn sie wiederholt demselben Reiz ausgesetzt sind. Dabei erzeugt das zufällige Öffnen und Schließen von Ionenkanälen Fluktuationen in der elektrischen Erregbarkeit der Zelle bzw. variable Diffusionsprozesse und chemische Reaktionen an der Synapse erzeugen Fluktuationen in der synaptischen Übertragung. Nach Ansicht von Wissenschaftler arbeitet der gesamte Cortex des Menschen auf dieser Basis, so dass alle neuronalen Aktivitäten von Wahrnehmen über Bewegen bis hin zum Denken oder eine Sprache Lernen dadurch erfolgt, dass Ungewissheit, sofern eine solche vorhanden ist, durch Verteilungen von Rauschen in Neuronen repräsentiert wird, die bei Entscheidungen auf Schätzungen heruntergebrochen werden.
Nach Ansicht von Gehirnforschern repräsentiert der Cortex durch neuronales Rauschen die Ungewissheiten der Welt und kann deshalb schnell Entscheidungen treffen. Wenn im Gehirn etwa über das Auge bestimmte Erregungsmuster eintreffen, reagieren oder feuern bestimmte Neuronen niemals auf identische Weise, auch wenn der Reiz bekannt ist und damit identifiziert werden kann. Daher feuern die Neuronen im visuellen Cortex beim Anblick desselben Objekts nicht auf dieselbe Weise, sondern das Erregungsmuster variiert und Wahrscheinlichkeitsverteilungen, wobei mit diesem Rauschen des Gehirns erst dessen Leistungsfähigkeit für Wahrnehmung und Bewegung in der wirklichen Welt begründet ist. Dieses Rauschen erschwert dem Gehirn nämlich nicht die Bewältigung der Aufgaben, sondern verbessert sogar die Berechnungen, um Entscheidungen in einer ungewissen Welt zu treffen. Neurowissenschaftler haben festgestellt, dass Neuronengruppen automatisch Reize durch Wahrscheinlichkeitsverteilungen zu repräsentieren scheinen, die Poisson-Verteilungen nahe kommen. Man vermutet, dass das Gehirn die Wahrscheinlichkeiten in ein Format codiert, das die Berechnung einer Antwort einfach macht, wobei die Neuronen oder Neuronengruppen bestimmte Variablen repräsentieren, damit das Gehirn dann eine Schlussfolgerung über alle Variablen durch eine Bayessche Inferenz ziehen kann.
Studien zeigen, dass dieses Rauschen bei Menschen mit psychotischen Erkrankungen stärker ist, etwa bei Schizophrenie. Auch der den Rausch bewirkende Bestandteil von Cannabis führt zu einem verstärkten neuronalen Rauschen, also jenen vorübergehenden einer Psychose ähnlichen Symptomen wie einer intensiveren Wahrnehmung von Farben und Geräuschen und veränderten Denkprozessen. Man vermutet, dass das neuronale Rauschen eventuell als Biomarker fungieren könnte, um psychotische Symptome zu diagnostizieren und damit einen Ansatzpunkt für Therapien zu bieten.
Das Rauschen im Gehirn als wichtige Voraussetzung für erfolgreiches Verhalten
Menschliches und tierisches Verhalten ist sehr formbar und passt sich erfolgreich an interne und externe Anforderungen an, doch steht das in manchen Untersuchungen in auffälligem Kontrast zur offensichtlichen Instabilität bzw. Variabilität der neuronalen Aktivität, aus der dieses Verhalte dann hervorgeht. Bisher wurde angenommen, dass dieses scheinbare Rauschen auf zufällige natürliche Schwankungen oder auch Messfehler zurückzuführen ist, doch nun haben Waschke et al.(2021) gezeigt, dass diese neuronale Variabilität wichtig ist, um den Zusammenhang von Gehirnaktivität und Verhalten besser verstehen zu können, denn anscheinend entsteht das Verhalten erst aufgrund von neuronaler Variabilität und nicht trotz dieser. Kloosterman et al. (2020) haben einen direkten Zusammenhang zwischen neuronaler Variabilität und Verhalten gezeigt, wofür die Gehirnaktivität von Studienteilnehmerinnen und -teilnehmer per Elektroenzephalogramm gemessen wurde, während sie undeutliche visuelle Muster auf einem Bildschirm erkennen mussten. Wenn die Teilnehmerinnen und Teilnehmer aufgefordert wurden, so viele Muster wie möglich zu erkennen, stieg die neuronale Variabilität im Allgemeinen an, wohingegen sie herunterreguliert wurde, wenn Teilnehmerinnen und Teilnehmer aufgefordert wurden, Fehler zu vermeiden. Menschen, die eher in der Lage waren, ihre neuronale Variabilität an diese Aufgabenanforderungen anzupassen, erbrachten dabei auch bessere Leistungen. Offenbar kann eine gute Kontrolle dieses neuronalen Rauschens dazu führen, eine unbekannte Informationen besser zu verarbeiten und besser auf diese zu reagieren. Die Bedeutung der neuronalen Variabilität für erfolgreiches menschliches Verhalten wurde auch in Bezug auf die Verarbeitung von Gesichtern, das Merken von Objekten und das Lösen von komplexen Aufgaben gezeigt. Offensichtlich scheint die Fähigkeit, neuronale Variabilität von einem Moment zum anderen regulieren zu können, für optimale kognitive Leistungen erforderlich zu sein.
Literatur
Kloosterman, N. A., Kosciessa, J. Q., Lindenberger, U., Fahrenfort, J. J., & Garrett, D. D. (2020). Boosts in brain signal variability track liberal shifts in decision bias. eLife, 9, doi:10.7554/eLife.54201.
Waschke, L., Kloosterman, N., Obleser, J., & Garrett, D. D. (2021). Behavior needs neural variability. Neuron, doi: 10.1016/j.neuron.2021.01.023.