Gedächtnis und Wahrnehmung scheinen völlig unterschiedliche Erfahrungen zu sein, und Neurowissenschaftler waren sich früher sicher, dass das Gehirn sie auch anders produziert. Aber in den 1990er Jahren zeigten Neuroimaging-Studien, dass Teile des Gehirns, von denen angenommen wurde, dass sie nur während der Sinneswahrnehmung aktiv sind, auch beim Abrufen von Erinnerungen aktiv sind.

„Es begann die Frage aufzuwerfen, ob sich eine Erinnerungsrepräsentation überhaupt von einer Wahrnehmungsrepräsentation unterscheidet“, sagte er Sam Ling, außerordentlicher Professor für Neurowissenschaften und Direktor des Visual Neuroscience Lab an der Boston University. Könnte unsere Erinnerung an eine schöne Waldlichtung zum Beispiel nur eine Neuschöpfung der neuronalen Aktivität sein, die es uns zuvor ermöglichte, sie zu sehen?

„Das Argument hat sich von dieser Debatte darüber, ob sensorische Cortices überhaupt beteiligt sind, zu der Frage entwickelt: ‚Oh, Moment mal, gibt es einen Unterschied?'“, sagte er Christopher Baker, ein Ermittler am National Institute of Mental Health, der die Lern- und Plastizitätseinheit leitet. „Das Pendel ist von einer Seite zur anderen geschwungen, aber es ist zu weit geschwungen.“

Auch wenn es eine sehr starke neurologische Ähnlichkeit zwischen Erinnerungen und Erfahrungen gibt, wissen wir, dass sie nicht genau gleich sein können. "Die Leute werden nicht zwischen ihnen verwechselt", sagte Serra Favila, Postdoktorand an der Columbia University und Hauptautor eines kürzlich erschienenen Nature Communications veröffentlicht lernen. Die Arbeit ihres Teams hat mindestens einen der Wege identifiziert, auf denen Erinnerungen und Wahrnehmungen von Bildern auf neurologischer Ebene unterschiedlich zusammengesetzt werden.

Verschwommene Flecken

Wenn wir die Welt betrachten, strömen visuelle Informationen darüber durch die Fotorezeptoren der Netzhaut und in den visuellen Kortex, wo sie nacheinander in verschiedenen Gruppen von Neuronen verarbeitet werden. Jede Gruppe fügt dem Bild neue Ebenen der Komplexität hinzu: Einfache Lichtpunkte werden zu Linien und Kanten, dann zu Konturen, dann zu Formen und schließlich zu vollständigen Szenen, die das verkörpern, was wir sehen.

In der neuen Studie konzentrierten sich die Forscher auf ein Merkmal der Sehverarbeitung, das in den frühen Gruppen von Neuronen sehr wichtig ist: wo sich Dinge im Raum befinden. Die Pixel und Konturen, aus denen ein Bild besteht, müssen sich an den richtigen Stellen befinden, sonst erzeugt das Gehirn eine ungeordnete, nicht erkennbare Verzerrung dessen, was wir sehen.

Die Forscher trainierten die Teilnehmer, sich die Positionen von vier verschiedenen Mustern auf einem Hintergrund zu merken, der einer Dartscheibe ähnelte. Jedes Muster wurde an einer ganz bestimmten Stelle auf dem Brett platziert und einer Farbe in der Mitte des Bretts zugeordnet. Jeder Teilnehmer wurde getestet, um sicherzustellen, dass er sich diese Informationen richtig eingeprägt hatte – dass er beispielsweise wusste, dass sich die Sternform ganz links befand, wenn er einen grünen Punkt sah. Als die Teilnehmer dann die Orte der Muster wahrnahmen und sich daran erinnerten, zeichneten die Forscher ihre Gehirnaktivität auf.

Die Gehirnscans ermöglichten den Forschern herauszufinden, wie Neuronen aufzeichneten, wo sich etwas befand, und wie sie sich später daran erinnerten. Jedes Neuron kümmert sich um einen Raum oder ein „rezeptives Feld“ in der Weite Ihres Blickfelds, wie z. B. die untere linke Ecke. Ein Neuron wird „nur feuern, wenn Sie etwas in diese kleine Stelle stecken“, sagte Favila. Neuronen, die auf einen bestimmten Punkt im Raum abgestimmt sind, neigen dazu, sich zusammenzuballen, wodurch ihre Aktivität in Gehirnscans leicht zu erkennen ist.

Frühere Studien zur visuellen Wahrnehmung haben gezeigt, dass Neuronen auf den frühen, niedrigeren Ebenen der Verarbeitung kleine rezeptive Felder haben und Neuronen auf späteren, höheren Ebenen größere. Dies ist sinnvoll, da die Neuronen der höheren Ebene Signale von vielen Neuronen der unteren Ebene zusammenstellen und Informationen über einen breiteren Bereich des Gesichtsfelds einziehen. Aber das größere Empfangsfeld bedeutet auch eine geringere räumliche Präzision, was einen Effekt erzeugt, als würde man einen großen Tintenklecks über Nordamerika auf einer Karte platzieren, um New Jersey anzuzeigen. Tatsächlich handelt es sich bei der visuellen Verarbeitung während der Wahrnehmung um kleine scharfe Punkte, die sich zu größeren, verschwommeneren, aber aussagekräftigeren Klecksen entwickeln.

Doch als Favila und ihre Kollegen sich anschauten, wie Wahrnehmungen und Erinnerungen in den verschiedenen Bereichen des visuellen Kortex repräsentiert werden, entdeckten sie große Unterschiede.

Als sich die Teilnehmer an die Bilder erinnerten, hatten die rezeptiven Felder auf der höchsten Ebene der visuellen Verarbeitung dieselbe Größe wie während der Wahrnehmung – aber die rezeptiven Felder blieben in dieser Größe auf allen anderen Ebenen, die das mentale Bild malten. Das erinnerte Bild war in jeder Phase ein großer, verschwommener Fleck.

Dies deutet darauf hin, dass beim Speichern der Erinnerung an das Bild nur die Darstellung auf höchster Ebene beibehalten wurde. Als die Erinnerung erneut erlebt wurde, wurden alle Bereiche des visuellen Kortex aktiviert – aber ihre Aktivität basierte auf der weniger präzisen Version als Eingabe.

Je nachdem, ob Informationen also von der Netzhaut kommen oder woher Erinnerungen gespeichert sind, verarbeitet und verarbeitet das Gehirn sie ganz unterschiedlich. Ein Teil der Präzision der ursprünglichen Wahrnehmung geht auf dem Weg in die Erinnerung verloren, und „man kann sie nicht auf magische Weise zurückbekommen“, sagte Favila.

Ein „wirklich schöner“ Aspekt dieser Studie war, dass die Forscher die Informationen über eine Erinnerung direkt aus dem Gehirn auslesen konnten, anstatt sich darauf zu verlassen, dass das menschliche Subjekt berichtet, was sie sahen, sagte Adam Stahl, ein Postdoktorand am Dartmouth College. „Die empirische Arbeit, die sie geleistet haben, finde ich wirklich herausragend.“

Ein Feature oder ein Bug?

Aber warum werden Erinnerungen auf diese „verschwommene“ Weise abgerufen? Um dies herauszufinden, erstellten die Forscher ein Modell des visuellen Kortex, das unterschiedliche Ebenen von Neuronen mit rezeptiven Feldern von zunehmender Größe aufwies. Dann simulierten sie eine evozierte Erinnerung, indem sie ein Signal in umgekehrter Reihenfolge durch die Ebenen schickten. Wie bei den Gehirnscans blieb die räumliche Unschärfe, die in der Ebene mit dem größten rezeptiven Feld zu sehen war, während des gesamten Rests bestehen. Das deutet darauf hin, dass sich das erinnerte Bild aufgrund der hierarchischen Natur des visuellen Systems auf diese Weise formt, sagte Favila.

Eine Theorie darüber, warum das visuelle System hierarchisch angeordnet ist, besagt, dass es bei der Objekterkennung hilft. Wenn rezeptive Felder winzig wären, müsste das Gehirn mehr Informationen integrieren, um zu verstehen, was im Blickfeld ist; Das könnte es schwierig machen, etwas Großes wie den Eiffelturm zu erkennen, sagte Favila. Das „unscharfere“ Erinnerungsbild könnte die „Folge eines Systems sein, das für Dinge wie Objekterkennung optimiert wurde“.

Es sei aber nicht klar, "ob es sich um ein Feature oder einen Bug handelt", sagte er Thomas Naselaris, außerordentlicher Professor an der University of Minnesota. Er war an der neuen Studie nicht beteiligt, kam aber in einer Studie aus dem Jahr 2020 zu einem ähnlichen Ergebnis, dass Wahrnehmung und Gedächtnis im Gehirn ganz anders aussehen. Er bevorzugt die Idee, dass der Unterschied vorteilhaft ist, vielleicht hilft er dabei, Wahrnehmungen von Erinnerungen zu unterscheiden. „Eine Person, deren mentale Bilder all die Details und die Präzision ihrer Szenenbilder hatten, konnte leicht verwirrt werden“, sagte er.

Die Unschärfe könnte auch dazu beitragen, die Speicherung unnötiger Informationen zu verhindern. Vielleicht ist es nicht wichtig, sich daran zu erinnern, wo sich jedes Pixel im Sichtfeld befindet, sondern dass die Pixel einem Familienmitglied oder einem Freund gehören, sagte Favila.

„Es ist nicht so, dass das visuelle System nicht in der Lage wäre, hochdetaillierte, lebendige und präzise Bilder zu erzeugen“, sagte Naselaris. Menschen haben zum Beispiel von sehr lebendigen visuellen Bildern berichtet, wenn sie sich im „hypnogogen“ Zustand zwischen Schlaf und Wachzustand befinden. Das Gehirn „neigt dazu, es während der wachen Stunden einfach nicht zu tun“.

Favila und ihr Team hoffen herauszufinden, ob eine ähnliche Verarbeitung bei anderen Aspekten eines visuellen Gedächtnisses wie Formen oder Farben stattfindet. Sie sind besonders gespannt darauf, zu untersuchen, wie diese Unterschiede in der Wahrnehmung und im Gedächtnis das Verhalten steuern.

Wahrnehmung und Erinnerung „sind verschieden; unsere Erfahrung mit ihnen ist unterschiedlich, und genau festzulegen, wie sie sich unterscheiden, wird wichtig sein, um zu verstehen, wie sich Erinnerung ausdrückt“, sagte Favila. Die Unterschiede lauerten „die ganze Zeit in den Daten“.