Zeit und Gehirn: Wie unsere Wahrnehmung uns auf eine Zeitreise schickt ⏳

Von Laurent Perrinet, Forscher am CNRS für Computational Neuroscience, Aix-Marseille University (AMU)

Wenn wir eine Sanduhr beobachten und unseren Blick auf die fallenden Sandkörner richten, haben wir das Gefühl, dass die Zeit gleichmäßig vergeht. Wir glauben, dass dies seit Anbeginn der Welt so ist und dass nichts diese universelle Wahrheit widerlegen kann.


Dennoch haben unsere Sinneswahrnehmungen und die Neuronen, die diesen zugrunde liegen, eine ganz andere Art, die Zeit zu messen. Diese ist subjektiv und sinnlich – im wahren Sinne des Wortes.

Das Beispiel des Sehens

Um dieses "Zeitgefühl der Sinne" besser zu erklären, nehme ich das Beispiel des Sehens. Dieses funktioniert augenblicklich und mühelos, mit einem schnellen, effizienten, automatischen Lernprozess. Man braucht keine Anleitung, um zu sehen! In Wirklichkeit muss das menschliche visuelle System jedoch viele Hindernisse überwinden, um diese Effizienz zu erreichen. Diese Hindernisse werden besonders deutlich, wenn man an einem künstlichen Sehsystem arbeitet, beispielsweise um Smartphones intelligenter zu machen oder um die Autos der Zukunft autonom zu steuern.

Betrachten wir die sogenannte Blitz-Verzögerungstäuschung. Beobachte diese Szene genau: Der rote Punkt bewegt sich über den Bildschirm, und du wirst sehen, dass ein grüner Blitz aufleuchtet, sobald der rote Punkt mit dem grünen Punkt vertikal ausgerichtet ist.


Die Mehrheit von euch wird wahrnehmen, dass die Position des roten Punktes nach rechts versetzt ist, entsprechend seiner Bewegungsrichtung. Sieh noch einmal hin: Der Blitz wird wahrgenommen, als käme er später im Vergleich zum bewegten Punkt. Doch verlangsamt man das Video, zeigt sich, dass die physikalische Realität eine andere ist. Diese einfache Anordnung zeigt somit, dass visuelle Objekte nicht synchron, sondern zu verschiedenen subjektiven Zeitpunkten wahrgenommen werden und in der Zeit unserer Sinne „reisen“ können.

Am erstaunlichsten ist, dass diese Illusion universell ist und gewissermaßen tief in unseren Sinnen verankert. Doch woher kommt dieses "Zeitgefühl der Sinne"? Hat es dieselbe lineare und kontinuierliche Form wie die, die wir der Zeit normalerweise zuschreiben? Und inwiefern hilft uns seine Definition, die Geheimnisse des Gehirns zu lüften?

Das Gehirn, schwarze Innenwelt

Manche stellen sich die Sehkraft als Erzeugung eines „inneren, leuchtenden Bildschirms“ vor. Tatsächlich aber, abgesehen von dem Licht, das die Netzhaut erreicht, einem Vorbau unseres Gehirns, der den Augenhintergrund auskleidet, gibt es im Gehirn selbst kein Licht. Totale Dunkelheit. Fest in den undurchlässigen Raum des Schädels eingeschlossen, ist das Gehirn vor jeglichem direkten Kontakt mit der Außenwelt geschützt. Im Inneren bilden rund 10 Milliarden Neuronen gewaltige Netzwerke, organisiert auf unterschiedlichen Ebenen – von simplen Neuronenpopulationen bis hin zu ausgedehnten Gehirnareal-Netzwerken.

Es ist bekannt, dass alle Informationen durch elektrochemische Signale innerhalb der Membranen der Nervenzellen transportiert werden. Diese Signale werden stetig zwischen Neuronen durch Synapsen in jedem Netzwerk übertragen. Und exakt diese Signale, nur diese, gewähren dir in diesem Moment den gleichzeitigen Zugang zu deinen Sinnen, Gedanken und Handlungen. Es bleibt zu verstehen, wie dieses Netzwerk sich in der Zeit organisiert und wie der Informationsfluss koordiniert und synchronisiert wird.

Auf der zeitlichen Ebene der Wahrnehmung existiert im Gehirn keine zentrale Uhr, die die verschiedenen Teile synchronisiert, wie zum Beispiel ein Dirigent. Ein weiterer Beweis dafür, dass das Gehirn nicht mit einem Computer vergleichbar ist. Wir müssen uns der Realität stellen: Wie in einer Jazzgruppe, die zu einem gemeinsamen Thema improvisiert, liegt diese Fähigkeit im Gehirn selbst und entsteht durch verteilte und selbstorganisierende Interaktionen. Aber welche Prozesse sind hier am Werk?

Unvermeidliche Übertragungsverzögerungen

Kommen wir zur Anatomie des visuellen Systems zurück. Die Physiologie der Nervenzellen bewirkt, dass die Geschwindigkeit der Informationsübertragung in unserem Gehirn über die verschiedenen Übertragungswege variiert und auf maximal 100 km/h für die schnellsten Bahnen kommt.

Durch das Volumen des Schädels führt dies unvermeidlich zu Übertragungsverzögerungen: Ein Bild, das die Netzhaut beleuchtet, erregt den primären visuellen Cortex erst nach etwa 50 Millisekunden. Dort wird die visuelle Information transformiert und an andere Gehirnareale weitergeleitet, was weitere 50 Millisekunden erfordert. Schließlich kann die übermittelte Information eine Muskelaktivität auslösen und beispielsweise nach etwa 150 Millisekunden eine Augenbewegung bewirken.


Versuchen wir, diese Übertragungsverzögerungen mit einer einfachen Aufgabe zu visualisieren. Du hältst einen Ball in deiner rechten Hand und beobachtest, wie er 10 cm nach unten in deine linke Hand fällt: Sein Fall dauert etwa 150 Millisekunden. Da das Bild im visuellen Cortex um 50 bis 100 Millisekunden verzögert ist, bedeutet dies, dass, wenn deine linke Hand den Ball empfängt, das Bild dieses Balls, das dein visueller Cortex erhält, sich immer noch in der Mitte seiner Flugbahn befindet!

Mit anderen Worten: Ähnlich wie bei Sternen, deren Licht erst nach einer Reise von mehreren Jahren bei uns ankommt, erreicht uns im visuellen Cortex ein vergangenes Bild des Balls. Für das Gehirn stellt dies ein echtes Problem dar. Da es die Verzögerungen zwischen Entscheidung und Handlung kennt und den Ball zum richtigen Zeitpunkt fangen möchte, muss die Entscheidung im Voraus getroffen werden. Die zukünftige Handlung, die im Jetzt entsteht, muss also aus der Vergangenheit aufgebaut werden... Kompliziert, nicht wahr?

Ein zeitliches Rätsel

Nun stehen wir vor einem echten zeitlichen Rätsel. Einerseits ist die absolute, äußere Zeit den in den Ballfang involvierten Neuronen – abgesehen von den sensorischen Neuronen – nicht zugänglich. Andererseits unterliegt die subjektive, innere Zeit der korrekten Funktion des Gehirns und der Synchronisation der vergangenen, gegenwärtigen und zukünftigen Informationen. Dieses wissenschaftliche Problem scheint zu komplex, um gelöst zu werden...

Betrachten wir es aus einer anderen Perspektive: Im Allgemeinen verändern sich physikalische Systeme durch den Austausch von Energie und Materie mit ihrer Umgebung. In jedem System muss laut dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik das Maß der Unordnung, die Entropie, zunehmen. Dies erklärt, warum es eine Asymmetrie im Zeitverlauf gibt – eine Zeitrichtung oder den sogenannten Zeitpfeil. Wenn man daher ein Billardspiel filmt und in umgekehrter Richtung abspielen würde, würde die Sequenz absurd erscheinen. Doch es gibt eine Klasse physikalischer Systeme, die die Fähigkeit erworben haben, diesem Zeitpfeil zu widerstehen: das Leben.


Im Vergleich zu Billardkugeln und allgemein zu passiven Systemen bestehen lebende Systeme darin, ihre Strukturen so lange wie möglich zu bewahren. Solche Systeme sind daher in der Lage, dem stetigen Strom zufälliger Ereignisse, wie ihn der Zeitpfeil fordert, entgegenzuwirken, indem sie durch verschiedene Prozesse mit ihrer Umgebung interagieren. Diese Prozesse stellen sich gegen den Zufall, daher nennt man sie vorhersagend. Und theoretisch können sie in unterschiedlichen Raum- und Zeitskalen übereinander gelagert und miteinander interagieren: natürliche Selektion für eine Spezies, Lernen für ein Individuum oder einfache Vorhersage, wie in unserem Fall hier.

Kehren wir zu unserer visuellen Illusion zurück. Die Verzögerung in der Informationsübertragung, die im visuellen System zwischen 50 und 100 Millisekunden liegt, erklärt die Verzögerung in der Wahrnehmung. Das Wahrnehmungssystem würde also sein Bestes tun, um diese systematische Verzögerung zu kompensieren und die Bewegung des gesehenen Objekts vorherzusagen. Das Bild eines sich bewegenden Punktes würde somit gegenüber seiner physischen Position nach vorne projiziert.

Die notwendige Manipulation von Informationen

Letztendlich macht unser visuelles System nichts anderes, als das durch die Netzhaut übermittelte Bild zu interpretieren, um es dem dort wahrgenommenen Zeitpunkt genauer anzunähern: Indem es die Informationsverzögerungen des Sehens und die Geschwindigkeit des Punktes kennt, „manipuliert“ es dessen Position auf seiner Bahn und lässt den roten Punkt „vorrücken“ auf seine aktuelle Position. Es bleibt jedoch ein Problem: Warum wird der grüne Punkt beim Aufblitzen nicht auf ähnliche Weise zeitlich verschoben? Mit anderen Worten, woher kommt der Unterschied in der sensorischen Verarbeitung zwischen dem bewegten Punkt und dem Lichtblitz?

Wie bereits erwähnt, verfügt unser visuelles System über mehrere Vorhersagesysteme, die auf den durch Erfahrung gewonnenen Informationen basieren. Das Gehirn kann beispielsweise lernen, dass ein Objekt mit hoher Wahrscheinlichkeit einer kohärenten Bahn folgt (wie bei einem Ball oder einem Punkt) oder dass die Nase sich in der Mitte des Gesichts befindet, dass das natürliche Licht normalerweise von oben kommt usw.

Die Vorstellung eines solchen vorhersagenden Gehirns, das über ein „a priori“ Wissen über die Struktur der Welt verfügt, erscheint kühn und reizvoll. Doch kann man sie formalisieren, daraus eine mathematische Theorie machen und so ein einheitliches konzeptionelles Verständnis über das Gehirn schaffen? Die Antwort lautet ja, glaubt man den Forschungen des Briten Karl Friston.

Für diesen Neurowissenschaftler ist die Theorie eines vorhersagenden Gehirns Teil eines breiteren theoretischen Rahmens, nämlich desjenigen der „Minimierung freier Energie“. Laut ihrem Entwickler handelt es sich dabei um eine „mathematische Formulierung der Art und Weise, wie biologische Akteure der natürlichen Tendenz zur Unordnung widerstehen“ und „ihren Zustand in einer sich verändernden Umwelt bewahren“. Um dies zu erreichen, müssen sie die Entropie minimieren und damit „langfristig den Überraschungsdurchschnitt verringern...“, was gleichbedeutend mit der Minimierung freier Energie ist.

Sortierte Informationen für bessere Vorhersagen

Zusammengefasst geht es um eine Informationsmenge, die den Grad der Überraschung in einem System misst, eine Menge, die einfach in Bits gemessen wird, ähnlich wie die Größe einer Computerdaktei. In diesem neuen theoretischen Rahmen lässt sich alles Verhalten (Aktion, Wahrnehmung, Lernen...) als Minimierung der Überraschungsquote beschreiben, was die beste Richtung zur Umkehr des Zufallspfeils vorgibt. Wichtiger noch: Das Prinzip der Minimierung freier Energie ermöglicht es, bis dahin schwer erklärbare Phänomene vorherzusagen und zu beschreiben, sowohl beim Verhalten von Tieren und Menschen als auch im Hinblick auf die Funktionsweise des Gehirns.

Es gab jedoch bislang kein explizites Modell der Sinneszeit. Genau dies haben wir hier versucht zu skizzieren. Eine solche Sinneszeit erklärt die Blitz-Verzögerungstäuschung, indem sie zwischen dem vorhersagbaren bewegten Punkt und dem unvorhersehbaren Zeitmuster des Blitzeintritts unterscheidet.

Aber dieses Modell ist auch dem Gehirn nützlich, um komplexere Bahnen vorherzusagen, etwa die eines Balls, der wieder auftaucht, nachdem er vorübergehend unsichtbar hinter einer Wand verschwindet. Mit diesem Modell, das eine hierarchische Verarbeitung aufweist, die der zwischen verschiedenen Gehirnarealen ähnelt, öffnen wir uns für weitere Facetten der Zeitrepräsentation im Gehirn, ja sogar für unterschiedlich geartete Formen, wie sie beispielsweise bei Schizophrenie vorkommen.