Gleich drei Wünsche auf einmal? Das geht nun wirklich nicht – zumindest nicht im Hirn. Forscher um Etienne Koechlin von der Ecole normale supérieure in Paris sind dahinter gekommen, warum Menschen nicht mehr als zwei konkurrierende Handlungsziele gleichzeitig verfolgen können. Ihre Erklärung ist simpel: Weil jeder Mensch nur zwei Gehirnhälften hat.

Zu diesem Ergebnis kamen die Wissenschaftler jetzt anhand einer Hirnscanstudie, bei der sie verfolgten, wo im Hirn ihrer Probanden Handlungsziele verarbeitet werden. Ihre Freiwilligen mussten dazu erkennen, ob nacheinander auftauchende Lettern das Wort "TELBAT" ergaben – ein rückwärts buchstabiertes "Tablet". In unregelmäßigen Abständen unterbrachen die Experimentatoren den Ablauf mit einer zweiten Buchstabenfolge desselben Wortes. Diese galt es ebenfalls zu erkennen und anschließend mit dem ursprünglich begonnenen Wort fortzufahren.

Keine ganz leichte Aufgabe für die in der Röhre eines Magnetresonanztomografen liegenden Probanden. Damit diese nicht einfach ihr Hirn ausschalteten oder an angenehmere Dinge dachten, winkten Koechlin und Kollege Sylvain Charron mit einer Geldprämie: Bei manchen Durchgängen bekamen die Freiwilligen für jeden richtig erkannten Buchstaben einen Euro, bei anderen Durchläufen lediglich 4 Cent. Für entsprechende Motivation und Aufmerksamkeit seitens der Teilnehmer war also gesorgt.

Ziele verfolgen – im Scanner

Die beiden Forscher versprachen sich allerdings noch weitere Vorteile durch den monetären Anreiz. An den Scannerdaten lässt sich nach einem einfachen Prinzip ablesen, wie sehr der Proband für eine Aufgabe motiviert ist: Viel Geld bringt viel Aktivierung; wenig Geld entsprechend wenig Aktivierung. Indem sie nun manchmal die erste und dann wieder die dazwischengeschobene Aufgabe lohnender gestalteten, eröffneten sich Koechlin und Charron die einzigartige Chance, in den Bildern des fMRT nachzuvollziehen, wo der Proband welches Ziel verarbeitete.

Unterschiedliche Orte für unterschiedliche Motivationen
© Etienne Koechlin, INSERM-ENS, Paris
(Ausschnitt)
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Wenn Menschen zwei Ziele gleichzeitig verfolgen, teilen sich die Hirnhälften die Arbeit. Während die eine die Motivation für die unterbrochene Handlung aufrechterhält, stößt die andere die Ausführung der zweiten an.
Bei Einzelaufgaben zeigte sich erwartungsgemäß die den Zielen entsprechende Aktivierung in beiden Hirnhemisphären. Weniger erwartet war hingegen, dass die Gehirnhälften die Arbeit aufteilten, sobald parallel ein zweites Ziel verfolgt werden musste. So zumindest interpretieren die beiden Hirnforscher die Scannerdaten: Die linke Hälfte halte die Motivation für Aufgabe eins im Hintergrund parat, während ihr rechtes Pendant die Ausführung der zweiten Aufgabe vorantreibe [1].

Am deutlichsten beobachteten Koechlin und Mitarbeiter diese Aufgabenteilung bei innenliegenden Arealen des Präfrontalkortex (mPFC), jenem beim Menschen so außergewöhnlich weit entwickelten Supervisor für derartige Denk- und Entscheidungsprozesse, insbesondere im dortigen anterioren cingulären Kortex (ACC). Gerade dieser Hirnbereich ist in der Hinsicht kein Unbekannter: Die versteckt im Innern des Großhirns liegende Region hatte ihre prominente Vermittlerrolle im Belohnungs- und Motivationssystem bereits in zahlreichen Studien unter Beweis gestellt. Insbesondere ihr oberer ("dorsaler") Teil mischte beim Parat-Halten und Wiederhervorholen von aufs Abstellgleis gestellten Handlungsabsichten kräftig mit.

Versagen auf ganzer Linie

Ganz anders war es dagegen um die beidseitigen, direkt hinter der Stirn liegenden Abschnitte des Präfrontalkortex bestellt, des so genannten frontopolaren Kortex. Er gilt gemeinhin als ranghöchstes Entscheidungsorgan und demonstrierte dies auch im aktuellen Experiment. Ob nun ein oder zwei Ziele parat gehalten werden mussten, in beiden Fällen entsprach seine Aktivierung einer Kombination der ihnen entsprechenden Belohnungsaussichten. Getreu dem Motto "Teile und herrsche" behalte er während der einzelnen Durchläufe die Fäden in der Hand und organisiere das Hin-und-Herschalten zwischen den Aufgaben, meinen Koechlin und Charron.

Was aber, wenn aus der Zwei- eine Dreiteilung werden soll? Da der frontopolare Kortex allem Anschein nach auf die Auslagerung in den beiden Hirnhälften angewiesen ist, müsste er in Schwierigkeiten geraten, sobald auch die zweite Aufgabe zu Gunsten einer dritten auf Halde gelegt werden soll. Tatsächlich bestätigte sich dieser Verdacht in einem Folgeexperiment der Pariser Forscher: Nun unterbrachen sie auch die zweite Aufgabe mit einer dritten derselben Form.

Kehrten ihre Versuchspersonen nach Abschluss dieses dritten Zwischenspiels zu einer der vorigen zurück, stieg das Fehlerniveau in die Nähe des statistischen Erwartungswerts – mit anderen Worten: Die Probanden verlegten sich aufs Raten. Nach Meinung der Wissenschaftler könnten dafür weder Mängel in der Konzentration noch im Arbeitsgedächtnis verantwortlich gemacht werden. Das offenbarten ähnlich strukturierte Vergleichstests, die kein Umschalten erforderten. Hier stellten die Teilnehmer ihre grundsätzliche Fähigkeit zur Bewältigung dieser Aufgabe unter Beweis.

Entscheidende Simulation

Grund für das Versagen sei einzig das Unvermögen des Hirns, mehr als zwei konkurrierende Handlungsabsichten gleichzeitig zu verfolgen. Denn die Denk- und Handlungsmuster, die zu deren Erreichen notwendig sind, könnten nicht ausreichend lange in der Schwebe gehalten werden.

Wie das Umschalten grundsätzlich vonstatten geht, darüber hat die Gruppe um Koechlin bereits genauere Vorstellungen entwickelt. Vor einigen Jahren stellten die Wissenschaftler ein simulationsfähiges Modell vor, das alle relevanten Verschaltungen im frontalen Kortex abbildet und eine Dynamik an den Tag legte, die den Vorgängen im Gehirn entsprechen könnte [2].

Der Forschergruppe sei es gelungen, den vergleichsweise großen und uniform wirkenden Präfrontalkortex in einzelne Funktionsbereiche zu unterteilen und damit die komplizierte Frage, wie das Gehirn Entscheidungen trifft, ein Stück weit einer Antwort näher gebracht zu haben, lobte der Hirnforscher Tobias Egner von der Northwestern University in Chicago [3].

Dreiecksmodell mit Speicher

Denn das Team erhellte nicht nur das Verschaltungsmuster der Hirnbereiche untereinander, sondern auch eine interne, streng hierarchische Strukturierung etwa des "motivierenden" medialen Frontallappenbereichs – eben jenes Areals, das in der aktuellen Studie als Ort der Arbeitsteilung auffiel. Je weiter vorne der betrachtete Abschnitt lag, desto unkonkretere und zeitlich losgelöstere Informationen verarbeitete er, beispielsweise um die Erfolgsaussichten einer Handlung einzuschätzen [4].

Grundlage ihres Simulationsmodells ist eine Dreiecksarchitektur untereinander verbundener Hirnregionen: An der Spitze steht der frontopolare Kortex als Entscheidungsträger. Er wird einerseits unterstützt vom medialen Frontalkortex, dessen Beteiligung auch in der aktuellen Studie aufschien. Andererseits unterstützt ihn der laterale Frontalkortex, dessen Neuronenbündel Handlungsoptionen zusammenfassen. Diese Zellgruppen können bei Aktivierung die entsprechenden Handlungsanweisungen anstoßen und zur Ausführung bringen.

Beide Areale sind untereinander verbunden: Jedes denkbare Handlungsmuster erhält somit seine eigene Motivation. Die Kombination aus beiden Aspekten steckte hingegen im frontopolaren Kortex – vermittelt durch entsprechende Verknüpfungen. Ließen Koechlin und Kollegen nun die Simulation laufen, stellte sich dank geschickt platzierter hemmender und erregender Nervenbahnen ein Verhalten ein, bei dem die Ausführung eines Handlungsmusters angehalten wurde, sobald eine höherwertige Motivation auftauchte. Danach aber konnte sie weitergeführt werden, weil ihre entsprechende Erregung im frontopolaren Kortex erhalten geblieben war.

Auch hier zeigte sich bereits, dass nie mehr als zwei Ziele gleichzeitig verfolgt werden konnten – das vielversprechendste, aktive Ziel und ein zweites im Wartezustand. Alle anderen gingen im Konkurrenzkampf der Neurone unter. Ob hier der eigentliche Grund für das Versagen bei drei und mehr Parallelzielen liegt, lassen die Wissenschaftler allerdings noch offen.