Neue Hirnregion für abstraktes Denken entdeckt

Was die Studie zeigt

Der mentale Schreibmaschinen-Typ: Die Studie definiert den ventralen prämotorischen Kortex grundlegend neu.

Lange als eine einfache Zone für die Bewegungsplanung, zeigt die Daten, dass er als eine abstrakte mentale Schreibmaschine fungiert, indem er das symbolische „Taste", die gedrückt werden muss, spezifiziert, bevor er den motorischen Kortex anweist, den tatsächlichen Strich auszuführen.

Verbesserung: Das mechanistische Decodieren, wie Symbole zusammengesetzt werden, bietet einen Rahmen, um BCIs drastisch zu verbessern und es Geräten zu ermöglichen, neuronale Absichten in flüssige Sprache oder physische Aktionen zu übersetzen.

Dieses Paradigma bietet zudem diagnostische Wege

Dieses Paradigma bietet zudem diagnostische Wege für Bewegungsplanungsstörungen wie die konstruktive Apraxie und psychische Erkrankungen wie Schizophrenie.

Quelle: Rockefeller University Wenn man ein Kind bittet, ein Tier zu zeichnen, das nicht existiert, wird es häufig Komponenten aus realen Tieren zusammenfügen – etwa den Körper eines Seehundes mit dem Rüssel eines Elefanten, vier Tentakel eines Oktopus und ein Auge eines Eidechsen.

Diese imaginative Fähigkeit wird darauf zurückgeführt, dass wir über eine größere Kapazität verfügen, symbolische Einheiten zu erlernen – wie beispielsweise einen Arm oder ein Bein im oben genannten Beispiel, oder vielleicht ein Wort – und dann zu visualisieren, wie diese Symbole in einem neuen Kontext wiederverwendet werden können.

Was die Studie zeigt

Neurowissenschaftler bezeichnen diese Fähigkeit, vertraute Elemente zu neuen Ideen zu kombinieren, als kompositionelle Generalisierung, und es wird angenommen, dass sie für Problemlösung, das Verständnis neuer Situationen und kreatives Denken einer neuen Forschung, die in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, hat das Labor für neuronale Systeme der Rockefeller University erstmals Hinweise auf die neuronalen Substrate gefunden, die diesem Prozess zugrunde liegen.

Das Team lokalisierte diese in der ventralen prämotorischen Rinde, einem Abschnitt des Frontallappens. Diese Region scheint als Art äfrontalen Rinde, in der höherstufiges Denken wie die Planung stattfindet, und der motorischen Rinde zu wirken, die Bewegung ermöglicht.

In ihren Ergebnissen beleuchten die Forschenden nicht nur grundlegende Eigenschaften der neuronalen Funktion, sondern erkennen auch Implikationen für die Verbesserung (BCIs) und die Erforschung. „Die Entdeckung löst ein langjähriges Problem der kognitiven Neurowissenschaft: Woher stammen Symbole – die grundlegenden Einheiten des Denkens?", sagt Winrich Freiwald, Leiter des Labors. „Sie weist zudem auf eine Zukunft – und zwar eine nahe Zukunft – hin, in der wir Denken mechanistisch verstehen können." Kompositionelle Generalisierung ist ein einflussreiches Hypothesenmodell in der Neurowissenschaft zur Erklärung der breiten Vielfalt menschlicher Fähigkeiten, die abstraktes Denken nutzen, um neue Ideen zu generieren, einschließlich Mathematik, geschriebener und gesprochener Sprache, Zeichnen, Tanzen, Handschrift und Musikalität.

Sie könnte auch kognitive Fähigkeiten charakterisieren,

Sie könnte auch kognitive Fähigkeiten charakterisieren, die wir mit anderen Tieren, wie zum Beispiel Schlussfolgern, Objektmanipulation und Werkzeuggebrauch.

Bisher jedoch gibt es noch keine eindeutigen neurowissenschaftlichen Belege für Symbole. „Die Idee hinter unserer Forschung war: Wenn es diese wiederverwendbaren Komponenten gibt, wie würde sich ihre neuronale Aktivität dann äußern?" sagt Erstautor Lucas Tian, Postdoktorand im Labor. „Wenn Einheiten in verschiedenen Situationen wiederverwendet werden, dann sollte man das in den neuronalen Daten erkennen können." Die Entwicklung eines Experiments zur Lokalisierung solcher neuronaler Mechanismen war jedoch keine leichte Aufgabe.

Nur Menschen können rechnen, Sprache verwenden oder zeichnen, und die derzeitigen Methoden zur Messung der Gehirnaktivität beim Menschen verfügen nicht über die notwendige Auflösung, um die Aktivität überwachen.

Technik und Auswirkungen

Um diese technische Einschränkung zu umgehen, arbeitete Tian mit Makakenaffen. „Wir wollten ein Tiermodell entwickeln, in dem wir Kompositionalität tatsächlich im Verhalten der Tiere beobachten können, während wir gleichzeitig neuronale Aufzeichnungen durchführen, um zu verstehen, wie das Gehirn dies bewerkstelligen könnte", beschreibt Tian.

Doch er musste sich immer noch der Herausforderung stellen, ein Verhaltensparadigma für die Tiere zu finden, das ihre kompositionellen Fähigkeiten aufdecken konnte.

Tianns Idee bestand darin, ihnen beizubringen, einfache geometrische Figuren auf Touchscreens nachzuzeichnen – Linien, Quadrate, Bögen, Kreise, Dreiecke – und sie dann mit der Neukonstruktion neuer Formen zu betrauen, während ihre Gehirnaktivität über Sensoren überwacht wurde.

Jede einfache Form galt als eigenständige

Jede einfache Form galt als eigenständige diskrete Wissens Einheit oder als Handlungssymbol – als Handlung, da sie die Zeichnung jeder einzelnen physisch ausführen mussten.

Anschließend baute er Neuheit in das Experiment ein, indem er untersuchte, wie die Affen neue, komplexere Formen zeichneten. „Ich bot ihnen eine große Variation an Symbolen an, statt sie dazu zu bringen, dieselbe einfache Aufgabe immer wieder zu wiederholen.

Sie mussten lernen, sich mit neuen und sich verändernden Faktoren auseinanderzusetzen, was genau die Art, in der kompositionelle Verallgemeinerung nützlich ist", so Tian.

Markt und Strategie

Er stellte fest, dass sie diese neuen Bilder zwar hätten zeichnen können, indem sie eine einfache Nachzeichnungsstrategie anwendeten – also ihre Finger entlang der Konturen der Formen führten –, sie stattdessen jedoch entschieden, die zu kombinieren, um neue komplexe Kombinationen zu erzeugen.

Dies zeigte, dass sie diese Handlungen als Symbole verstanden hatten – als Bausteine zur Erstellung neuer Zeichnungen.

Tian nutzte ein Array, um während dieser Aktivitäten gleichzeitig Hunderte zu beobachten. „Es war für uns wichtig, ein breites Netz zu werfen", so er, „da niemand wusste, ob – und wo – im Gehirn eine kompositionelle Verallgemeinerung stattfindet." Die Studie ergab, dass eine bestimmte Region aktiviert wurde, während die Affen zeichneten: der ventrale prämotorische Kortex, ein Bereich des Stirnhirns, der traditionell mit der Planung und Ausführung – insbesondere – in Verbindung gebracht wird.

Was die Studie zeigt

Tian und seine Kollegen stellten fest, dass die Aktivität nicht nur an der motorischen Ausführung beteiligt ist, sondern eine hochstufige kognitive Repräsentation der Handlung selbst darstellt. „Was Lucas gefunden hat, zwingt uns, die Rolle dieses Gehirnbereichs neu zu überdenken", sagt Freiwald. „Es handelt sich nicht nur um einen Teil des motorischen Systems, der einen Schritt entfernt, sondern um einen Bereich, der eine Art geistige Schreibmaschine erzeugt.

Er gibt in einem abstrakten Format vor, welche 'Taste' gedrückt werden muss, wenn Sie sich schriftlich ausdrücken möchten, und instruiert dann einen anderen Bereich, diese Taste in einen Strich umzuwandeln." Einsichten in Erkrankungen des menschlichen Gehirns Die Forscher glauben, dass ihr neuartiger Ansatz sich zu einem grundlegenden experimentellen Paradigma entwickeln könnte, das auch beim Menschen eingesetzt werden kann.

Zeichnen ist ein weit verbreitetes Instrument zur Diagnose kognitiver Störungen; bestimmte Störungen führen zu spezifischen Zeichenschwächen.

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Eine Möglichkeit besteht darin, dass die gewonnenen Erkenntnisse neue Einblicke in psychiatrische Störungen wie die Schizophrenie oder Handlungsplanungsstörungen wie die konstruktive Apraxie ermöglichen könnten, bei der Menschen Schwierigkeiten haben, komplexe Handlungssequenzen zu erstellen, obwohl sie die vorliegende Aufgabe verstehen und grundlegende motorische Fähigkeiten besitzen", so Tian.

Zu diesem Zweck planen sie, mit Neurochirurgen und ihren Patienten zusammenzuarbeiten, um Hirnaktivitätsdaten, die bereits Eingriffe mit Hirnimplantaten, beispielsweise zur Behandlung, erfahren haben.

Zudem sehen sie Möglichkeiten zur Verbesserung (BCIs). „Das mechanistische Verständnis des Denkens wird unsere Fähigkeit verbessern, die Aktivität des menschlichen Gehirns zu entschlüsseln und sie über Gehirn-Maschine-Schnittstellen in Sprache oder Handlung umzusetzen, wo eine solche Umsetzung sonst nicht möglich wäre", so Freiwald.

Darüber hinaus, fügt er hinzu, stehen

Darüber hinaus, fügt er hinzu, stehen wesentliche Fragen zur Kognition im Spiel. Dies ist Grundlagenforschung zu einer grundlegenden Eigenschaft der menschlichen Natur – dem Denken, das bei vielen psychiatrischen Störungen verändert ist. Wir führen diese Arbeit mit dem Ziel durch, die menschliche Existenz zu verbessern.

Beantwortete Schlüsselfragen: A: Wenn ein Kind ein Wesen zeichnet, das nicht existiert, greift es instinktiv nach dem Körper eines Seehundes, dem Rüssel eines Elefanten und den Armen eines Tintenfisches.

Diese Fähigkeit, vertraute, getrennte Komponenten zu entnehmen und neu zu kombinieren, um eine völlig neue Situation zu bewältigen, wird als kompositionelle Generalisierung bezeichnet. Sie bildet das biologische Gerüst hinter Sprache, Mathematik, Kunst und allem, was wir als menschliches kreatives Denken definieren.

Was die Studie zeigt

A: Seit Jahrzehnten galten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler diese Hirnregion lediglich als ein grundlegendes Zahnrad im motorischen System, das für die Bewegung der Finger zuständig ist. Diese Studie zwingt zu einer vollständigen Neuformulierung dieser Theorie.

Tatsächlich handelt es sich bei dieser Region um eine hochrangige kognitive Hochleistungsanlage, die abstrakte Symbole speichert. Es wählt den gewünschten konzeptuellen „Schlüssel" aus, den Sie eingeben möchten, um sich auszudrücken, und überträgt diese abstrakte Blaupause an die Muskulatur, um einen Schreibzug zu erzeugen.

A: Moderne Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCIs) versuchen, die Gehirnaktivität eines Patienten zu lesen und diese in Sprache oder Maschinenbewegung umzuwandeln. Bisher wussten wir nicht genau, welche Mechanismen dahinterstehen, wie das Gehirn abstrakte Gedankeneinheiten verarbeitet.

Was die Studie zeigt

Indem nun aufgezeigt wird, wie das Gehirn diese symbolischen Bausteine in Echtzeit aufbaut und kombiniert, können Ingenieure BCIs entwickeln, die die Absicht mechanisch erfassen. Dies ermöglicht es gelähmten Personen, sich mit bisher unerreichter Geschwindigkeit und flüssiger Genauigkeit auszudrücken. Redaktionsnotizen: Dieser Artikel wurde News bearbeitet.

Zusätzliche Kontextinformationen wurden ügt. Über diese Neuigkeiten zur Forschung im Bereich Neurowissenschaften und abstraktes Denken. Autor: Katherine Fenz Quelle: Rockefeller University Kontakt: Katherine Fenz – Rockefeller University Bild: Das Bild ist Neuroscience News zuzuordnen.

Originalforschung: Open Access. „Neuronale Repräsentation Hirnrinde ", Kedar Garzón Gupta, Daniel J. Hanuska, Adam G. Rouse, Mark A. G. Eldridge, Marc H. Schieber, Xiao-Jing Wang, Joshua B. Tenenbaum und Winrich A. Freiwald.

Technik und Auswirkungen

Nature DOI:10.1038/s41586-026-10297-x Neuronale Repräsentation Hirnrinde Intelligenz ist die Fähigkeit, neue Probleme zu lösen, einschließlich solcher, die sich erheblich.

Problemlösen wiederum beruht auf der zielgerichteten Generierung neuer Ideen und Verhaltensweisen, was darauf hindeutet, dass interne Repräsentationen diskreter Einheiten (oder Symbole) eine Rolle spielen, die zu zahlreichen möglichen zusammengesetzten Repräsentationen neu kombiniert werden können.

Obwohl diese Sichtweise in kognitiven Erklärungen des Verhaltens einflussreich war, blieb eindeutiger Nachweis für ein neuronales Substrat identifizieren wir eine neuronale Population, die Aktions-Symbole kodiert – also rekombinierbare Repräsentationen diskreter Einheiten motorischen Verhaltens – in einem spezifischen Areal des frontalen Kortex.

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Bei Makaken, die eine zeichnerähnliche Aufgabe ausführen, stellten wir verhaltensbezogene Evidenz fest, wonach Aktionskomponenten (Striche) drei entscheidende Merkmale aufweisen, die auf eine zugrundeliegende symbolische Repräsentation hinweisen: (1) Invarianz gegenüber niedrigstufigen motorischen Parametern; (2) kategoriale Struktur, die diskrete Aktionsarten widerspiegelt; und (3) Rekombination zu neuartigen Sequenzen.

Basierend auf simultanen neuronalen Aufzeichnungen über acht Regionen des motorischen, prämotorischen und präfrontalen Kortex identifizierten wir eine Populationstätigkeit, die spezifisch im ventralen prämotorischen Kortex lokalisiert ist und geplante Aktionen auf eine Weise kodiert, die ebenfalls Invarianz, kategoriale Struktur und Rekombination widerspiegelt.

Diese Ergebnisse offenbaren eine neuronale Repräsentation, die auf den ventralen prämotorischen Kortex lokalisiert ist, sowie einen mutmaßlichen neuronalen Substrat für symbolische Operationen.