Überraschung und Pupillenerweiterung: So aktualisiert das Gehirn Erwartungen

Pupillenerweiterung als Reaktion auf Überraschung

Wenn Sie einen dunklen Raum betreten, weiten sich Ihre Pupillen rasch, damit mehr Licht ins Auge fällt und Sie besser sehen können. Bei helleren Lichtverhältnissen ziehen sie sich entsprechend wieder zusammen.

Dieser Reflex ist gut bekannt. Doch Pupillenerweiterungen können auch aus anderen, weniger offensichtlichen Gründen auftreten.

So können sich die Pupillen etwa bei Überraschung vergrößern, als wären wir unvermittelt von Dunkelheit umgeben. Dies gehört zu einer vorübergehenden Aktivierungsreaktion, deren Funktion und Auswirkungen auf das Verhalten bislang nur unzureichend verstanden sind.

Eine neue Studie beleuchtet nun den Zusammenhang zwischen Überraschung und Pupillengröße. Sie liefert Hinweise darauf, dass erweiterte Pupillen – und die umfassendere Aktivierungsreaktion, für die sie stehen – wesentlich dazu beitragen könnten, unerwartete Ereignisse zu bewältigen.

Nach einer Überraschung schaltet das Gehirn offenbar in einen „Aktualisierungsmodus“, erklärt Mitautor Matt Nassar, außerordentlicher Professor für Neurowissenschaften sowie kognitive und psychologische Wissenschaften an der Brown University. Erweiterte Pupillen seien eines der nach außen hin deutlichsten Zeichen dafür.

„Die Pupillenerweiterung signalisiert einen Anstieg der Aktivierung, und unsere Ergebnisse stützen die Annahme, dass diese raschen Schwankungen der Aktivierung im Gehirn etwas Nützliches bewirken“, sagt Nassar.

„Sie versetzen uns in die Lage, mit einer Welt umzugehen, die sich häufig von einem Kontext zum anderen verändert.“

(Deagreez/iStock/Getty Images Plus)

Untersuchungen zeigen, dass die Pupillenerweiterung komplexer ist, als sie zunächst erscheint. Sie könnte zahlreiche innere Vorgänge widerspiegeln, die über ihre weithin bekannte Verbindung zur äußeren Beleuchtung hinausgehen.

Die Pupillen können sich beispielsweise als Reaktion auf kognitive Anstrengung, körperliche Belastung oder emotionale Aktivierung erweitern; auch bestimmte Medikamente können dies auslösen. Ihre Größe könnte außerdem Hinweise darauf geben, was Sie sich gerade vorstellen oder welche Erinnerungen Sie im Schlaf erneut durchgehen.

Auch im Einklang mit der Atmung verändert sich die Pupillengröße regelmäßig: Üblicherweise werden die Pupillen beim Ausatmen größer und ziehen sich zu Beginn des Einatmens zusammen.

Locus coeruleus und die Aktivierungsreaktion

Die Aktivierungsschwankungen nach einer Überraschung werden zum Teil durch den Locus coeruleus vermittelt, eine kleine Ansammlung von Nervenzellen im Hirnstamm.

Diese Struktur stellt unsere wichtigste Quelle für Noradrenalin dar, einen Neurotransmitter und ein Hormon, das an der „Kampf-oder-Flucht“-Reaktion beteiligt ist.

Nach einem überraschenden Ereignis wird der Locus coeruleus häufig aktiv. Seine verstärkte Aktivität hängt sowohl mit Veränderungen der Pupillengröße als auch mit bestimmten Hirnwellen zusammen, die sich mittels Elektroenzephalografie (EEG) nachweisen lassen.

Frühere Forschung habe bereits Hinweise auf Noradrenalinspitzen und weitere Aktivierungsmarker nach überraschenden Ereignissen gefunden, merkt Nassar an. Welche Funktion diese erfüllen und wie sie das Verhalten beeinflussen könnten, sei jedoch weiterhin unklar.

Um dies zu untersuchen, gewannen Nassar und sein Team 63 gesunde erwachsene Teilnehmende für ein Experiment. Darin sollten sie Vorhersagen zu farbigen Reizen auf einem Bildschirm treffen.

Auf den Bildschirmen erschien eine Reihe farbiger Flächen. Zunächst sollten die Teilnehmenden lediglich wiedergeben, welche Farben sie gerade gesehen hatten. Später sollten sie vorhersagen, welche Farben im nächsten Bild auftauchen würden, und dabei Muster nutzen, die sie aus früheren Bildern gelernt hatten.

Währenddessen erfassten die Forschenden physiologische Daten, darunter EEG-Signale und Veränderungen des Pupillendurchmessers, um zu untersuchen, wie das Gehirn auf eine unerwartete Wendung reagiert.

„Wir wollten das Phänomen erfassen, das mit zwei übergeordneten Vorstellungen darüber verbunden ist, wie das Aktivierungssystem das Verhalten beeinflusst“, sagt Mitautor Harrison Marble, wissenschaftlicher Assistent und Leiter in Nassars Labor.

„Eine davon betrifft das Lernen, die andere den Wahrnehmungsbias.“

Überraschende Farben verändern Lernen und Wahrnehmung

Zeigten die Bildschirme überraschende Farben, die den Vorhersagen widersprachen, erweiterten sich die Pupillen der Teilnehmenden tatsächlich, wie die Studie ergab. Zugleich nahmen bestimmte Hirnwellen zu, die mit vorübergehender Aktivierung und der Aktivierung des Locus-coeruleus/Noradrenalin-Systems verbunden sind.

Personen, bei denen diese Reaktion auftrat, schienen davon zu profitieren: Sie passten ihr Lernen angemessen an die jeweilige Bedingung an und zeigten einen geringeren Wahrnehmungsbias.

Wenn Bilder den Erwartungen der Teilnehmenden entsprachen, wurde ihr Bias stärker. Ein unerwartetes Bild schien sie jedoch aus dieser gedanklichen Spur herauszuholen. Die Daten zu Pupillen und Hirnwellen legen nahe, dass sie aus Überraschungen lernten und dies für spätere Vorhersagen nutzten.

Das könnte wie eine Art Aktualisierungsmechanismus des Gehirns funktionieren: Er hilft uns, überholte Erwartungen abzulegen, und bereitet uns darauf vor, neue Erwartungen zu erlernen.

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„Das Gehirn hält an einem bestimmten mentalen Kontext fest, und wenn es dann erkennt, dass man sich in einer neuen Situation befindet, ersetzt es diesen Kontext. Veränderungen des Pupillendurchmessers sowie bestimmte EEG-Messwerte sind äußere Marker des Gehirns, die zeigen, dass es diesen neuen Kontext lädt“, sagt Nassar.

„Dies begrenzt sowohl den Einfluss, den der vorherige Kontext auf die Wahrnehmung hatte, als auch schafft es ein unbeschriebenes Blatt, das nicht durch frühere Erwartungen belastet ist und dadurch schnelleres Lernen ermöglicht“, fügt er hinzu.

Die Studie wurde in Nature Human Behaviour veröffentlicht.

Dieser Artikel wurde von Fiona MacDonald auf Fakten geprüft und von Fiona MacDonald redigiert. Wir sind stolz auf unseren Prozess, doch auch wir sind nur Menschen. Falls Ihnen ein Fehler auffällt, teilen Sie ihn uns bitte mit.