Die Geschichte einer Studie des Geistes

Rebecca Saxe möchte wissen, wie unser Gehirn lernt, sozial zu sein.

Rebecca Sachsen

Genauer gesagt hat Saxe, eine außerordentliche Professorin für kognitive Neurowissenschaften am MIT-Institut für Gehirn- und Kognitionswissenschaften, ihre Karriere aufgebaut, indem sie versucht hat zu verstehen, wie wir Urteile über die Gedanken anderer Menschen fällen, eine Fakultät mit dem Namen Theory of Mind (ToM).

Unser Gehirn führt ToM-Kognitionen durch, um zu entschlüsseln, was sich hinter einem Lächeln, einer Grimasse oder einem Verhaken in der Stimme eines Menschen verbirgt. Wie Saxe schreibt, ist ToM der Mechanismus, mit dem Menschen auf den Geisteszustand einer anderen Person schließen und über ihn nachdenken. Um ToM zu verfolgen, musste sie die Kunst der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) beherrschen. fMRT-Scanner sind umständlich und schwierig zu bedienen – und ihre Ergebnisse sind schwierig zu interpretieren. Aber Saxe ist eine Virtuosin der Maschine geworden, als sie als Postdoc mit einem Problem zu kämpfen kam, von dem sie sagt, dass es sie immer noch umhaut.



Zu Beginn der Entwicklung, erklärt sie, scheint das menschliche Gehirn eine Ansammlung von Neuronen zu sein, die denen sehr ähnlich sind, die das Gehirn vieler anderer Lebewesen bilden. Aber dann gewinnen wir Fähigkeiten, die im Tierreich keine Parallelen haben. Wie? Was passiert in reifenden Gehirnen, um das Leben des Geistes zu erschaffen, das uns als Menschen auszeichnet?

Das ist eine große Frage, die Arbeit ihres Lebens. Aber ein genauer Blick auf nur eines von Saxes Experimenten lässt erahnen, was es braucht, um aus den Messungen einen Sinn zu destillieren – und gibt einen Einblick in das Arbeitsleben einer Wissenschaftlerin an der Spitze ihres Spiels.

Saxe, ein 33-jähriger Kanadier, beschäftigt sich seit den 1990er Jahren mit Gehirnen, angefangen als Student in Oxford. Sie begann sich in der Graduiertenschule am MIT auf das Konzept von ToM zu konzentrieren und arbeitete im Labor von Nancy Kanwisher '80, PhD '86, wo sie die Gehirnsysteme identifizierte, die aktiviert werden, wenn jemand über den Geisteszustand eines anderen nachdenkt. Der kognitive Neurowissenschaftler Jon Simons von der University of Cambridge, der sich auf das Studium des Gedächtnisses spezialisiert hat, sagt, Saxe habe durchdachte Experimente entwickelt, die interessante und zuverlässige Daten lieferten. Es ist verlockend zu glauben, dass großartige Wissenschaft diese großen Durchbrüche sind, sagt er. [Aber] so wird gute Wissenschaft gemacht. Es sind gründliche Studien, die sehr detailliert sind, um dauerhafte Ergebnisse zu erzielen.

Einen wichtigen Schritt machte Saxe 2005, als sie sich fragte, ob sie Kinder im Alter von fünf Jahren studieren könnte, um zu sehen, wie sich das ToM-System im Laufe der Zeit entwickelt. Die Straßensperre? Damals versuchten nur sehr wenige Forscher auf der Welt, Kinder in ein fMRT-Gerät zu stecken, bei dem die Menschen 40 Minuten oder länger still sitzen müssen. Aber einer dieser Forscher war Kevin Pelphrey, damals an der Duke University. Saxe schrieb ihm im Oktober 2005 – blind, sagt sie – und schlug ein Experiment vor, das das Gehirn von Kindern scannen sollte, während sie Geschichten verarbeiteten, die sich auf die Gedanken der Menschen konzentrierten. Ich habe ihm gesagt, dass ich das Experiment schreiben werde und du die Scans bei Duke machen kannst, erinnert sie sich. Pelphrey, den Saxe als einen der großzügigsten Kollaborateure einschätzt, sagte, sicher, komm runter – aber bis Februar. Saxe hatte also nur wenige Wochen Zeit, um den Keim einer Idee zu nehmen und sie in ein praktikables Protokoll zu verwandeln.

Ich habe mit meinem Freund am Küchentisch gesessen, sagt sie, und ich habe kleine Geschichten geschrieben, in denen die Gedanken der Leute waren. Sie entwarf ein Dutzend Erzählungen und fügte ihnen Zeichnungen hinzu. Die Probanden wurden jeweils 20 Sekunden lang drei Segmenten pro Erzählung ausgesetzt: einer Beschreibung einer physischen Umgebung mit einem handgezeichneten Bild zur Veranschaulichung; eine Beschreibung menschlicher Charaktere; und ein mentales Segment, das Informationen darüber bot, was in ihren Köpfen vor sich ging. Um sicherzustellen, dass die Ergebnisse nicht von der Reaktion der Testperson auf die Reihenfolge der Segmente beeinflusst werden, hört jedes Kind in der Studie die gleichen Geschichten, jedoch mit unterschiedlicher Anordnung der Segmente. Nachdem sie sich jede Geschichte angehört hatten, wurde den Kindern eine Ja-oder-Nein-Frage gestellt, die von ihnen verlangte, was die Hauptfigur als nächstes tun könnte. Dann, nach einer kurzen Pause, begann eine andere Geschichte und so weiter, bis der Proband das vollständige Protokoll von 12 separaten Erzählungen in Scansitzungen von etwa 40 Minuten durchgegangen war.

Tage nachdem sie das experimentelle Design fertiggestellt hatte, ging Saxe zu Duke. Die erste Versuchsperson, ein etwa 10 Jahre altes Mädchen, traf gegen Vormittag ein, und das Team setzte sie in den Scanner. Im Kontrollraum konnte Saxe die beiden kleinen Füße des Kindes sehen, die aus dem Mund der Maschine ragten. Als der Scanner anfing, sein übliches Summen und Klick-Klick-Klick zu ertönen, wurde Saxe nervös. Sie war sich bewusst, dass jedes neue Experiment mehrere Wege zum Scheitern hatte, und sie wusste, dass sie auch einem grundlegenderen Risiko ausgesetzt war. Einige Untersuchungen hatten ergeben, dass Kinder unter fünf Jahren bereits ToM-Schlussfolgerungen ziehen können. Es bestand also eine gute Chance, dass sie und ihre Mitarbeiter überhaupt nichts finden würden – die ToM-Regionen bei diesen Kindern könnten genauso aussehen wie bei älteren Menschen.

Das Schlimmste war, dass Saxe bei ihrem ersten Scan keine Möglichkeit hatte, zu überprüfen, ob sie etwas Interessantes finden würde. Obwohl die fMRT-Technologie im Volksmund als eine Art Sonde vorgestellt (oder gefürchtet) wird, mit der man einfach den Inhalt der Gedanken von Menschen lesen kann, ist die Realität weit weniger dramatisch und für den Forscher viel anspruchsvoller.

Einige der Probleme sind rein technischer Natur. fMRT-Geräte messen die Gehirnaktivität nur indirekt. Wenn Neuronen feuern, saugen sie Sauerstoff an, um sich auf das erneute Feuern vorzubereiten. Das ruft einen Bedarf an mehr Sauerstoff hervor – geliefert durch das Blut. Wenn eine Region des Gehirns mehr Energie benötigt, verschiebt sich das lokale Verhältnis von sauerstoffreichem zu sauerstoffarmem Blut um einen Bruchteil. Mit Sauerstoff angereichertes Blut hat andere magnetische Eigenschaften als die sauerstoffarme Version, und fMRT-Geräte messen die resultierenden geringfügigen Änderungen der lokalen Magnetfelder.

Aber das ist keine leichte Aufgabe. Das Gehirn im Schädel verschiebt sich bei jedem Atemzug und Herzschlag leicht, und Menschen – insbesondere Kinder! – liegen keine Stunde ganz still. Wir haben eine wackelnde, pulsierende, wackelnde Maschine, die aus vielen Gründen Unmengen an Sauerstoff verbraucht, und obendrein versuchen wir, ein winziges Signal zu messen, sagt Saxe. Dann gibt es das Timing-Problem: Die neurale Aktivierung dauert Bruchteile einer Sekunde, aber Veränderungen des Blutsauerstoffspiegels treten über sechs Sekunden oder länger auf – und die Werte kehren nicht immer auf die gleiche Basiszahl zurück, was das Durcheinander noch verstärkt. Daher, sagt Saxe, führen wir Bewegungskorrekturen durch. Wir führen eine räumliche Glättung durch, um einen Teil des Rauschens zu beseitigen. Wir filtern zeitlich alles, was über 10 Minuten oder länger passiert – die Zeitskala, auf der Artefakte wie das Aufheizen des Scanners in den Daten erscheinen würden. Es dauert Stunden der Analyse, um ein Signal zu lokalisieren – alles nur um herauszufinden, was eine Messung bedeuten könnte.

Am späten Vormittag beendete das erste Kind seine Geschichten, und dann wiederholte das Team die Sequenz mit dem zweiten und letzten Thema des Tages, einem neunjährigen Jungen. Als er vom Scanner herunterkletterte, planten die meisten in der Gruppe, zum Abendessen aufzubrechen.

Sachsen blieb zurück. Nun begann die Stoop-Working-Phase des Experiments: die Umwandlung der Rohzahlen aus dem Scan in eine auswertbare Form. Stunden vergingen. Sachsens Kollegen aßen und kehrten zurück. Sie blieb am Computer. Am späten Abend hatte sie die Verarbeitung des ersten Durchgangs abgeschlossen. Bewegungsartefakte – weg; Maschinenlärm – unter Kontrolle; Frame für Frame entsprach der Aufforderung zur neuronalen Aktion.

Was sie sah, ließ Saxe ausatmen: Sie hatte Daten. Das Team hatte gezeigt, dass es möglich ist, verwertbare Ergebnisse von Kindern zu erhalten, die die meisten Forscher für zu zappelig hielten, um sie sich vorzustellen. Noch wichtiger ist, dass Saxe und Pelphrey, als sie Scans von Probanden im Alter von sechs Jahren sammelten, etwas Neues fanden. Die älteren Kinder sahen ziemlich aus wie Erwachsene, sagt Saxe. Ihre ToM-Regionen leuchteten auf, als sie einen Abschnitt hörten, der sie dazu zwang, darüber nachzudenken, was jemand anderes dachte, aber nicht während der Teile der Geschichten, in denen nur beschrieben wurde, dass jemand etwas tut. Aber die Scans der kleinen Kinder waren anders. Ihre Gehirnregionen reagierten auf alles, was mit Menschen zu tun hatte – nicht nur auf Anekdoten über den Geisteszustand der Menschen, sondern auf alles, was mit Menschen zu tun hatte.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, dieses Ergebnis zu erklären, aber Saxe bevorzugt eine, wie sie es nennt, verrückte Idee: dass das Gehirn mit einer universellen Fähigkeit zum Nachdenken über soziale Interaktion beginnt und sich dann spezialisiert. Ihr Team begann zu erkennen, dass unsere Gehirnregionen mit zunehmendem Alter einige Jobs aufgeben, um in anderen Experten zu werden.

Diese Behauptung ist noch vorläufig, aber spätere Arbeiten in Saxes Labor und anderswo haben sie bestärkt. Heute, sagt Saxe, glauben wir, dass wir ein Entwicklungsmuster haben. Jetzt wollen wir wissen, wie und warum diese Entwicklung passiert und was sie verändern kann. Um das herauszufinden, führt ihr Labor Studien zu verschiedenen Wegen zur ToM-Spezialisierung durch. Eine betrachtet Kinder im Autismus-Spektrum; eine andere untersucht blinde Kinder, die die Gedanken anderer eher durch Hören als durch Sehen einbeziehen; und ein drittes untersucht gehörlose Kinder, von denen einige erst relativ spät mit Sprache in Berührung kommen, wenn ihre Eltern nicht gebärden können. Keine hat bisher endgültige Ergebnisse geliefert.

Sachsen ist kein Postdoc mehr. Sie leitet jetzt ein Labor und ist immer noch nicht an alles gewöhnt, was es braucht, um Wissenschaft in immer größerem Maßstab zu betreiben. An nur einer der neuen Studien seien mehr als ein Dutzend Forscher beteiligt, sagt sie. Es gibt einen Anflug von Staunen – wirklich Unglauben –, als sie hinzufügt: Früher habe ich nur auf meinem Tisch gezeichnet. Jetzt brauchen wir eine Person zu 100 Prozent, nur um dieses Projekt zu verfolgen.

Trotzdem grinst sie, während sie das sagt. Sie und ihre Kollegen veröffentlichten die Ergebnisse der Duke-Studie im Jahr 2009, aber es gibt etwas, das auf der Seite nicht zu finden ist – ein Aspekt der Wissenschaft, der in keiner affektlosen Bilanz der Daten erfasst werden kann. In dieser Nacht in North Carolina, in diesem ersten Moment, als es funktionierte? Sie sagt. Das war spannend.

Baumzeichnung

Eine Beispielgeschichte aus dem ToM-Experiment der Kinder

Physisches Segment:
Hinter der großen roten Scheune am Rande des Walnusshains befindet sich der prächtigste Teich der Nachbarschaft. Es ist breit und tief und wird von einer alten Eiche beschattet. Es gibt alles Mögliche in diesem Teich: Fische und alte Schuhe und verlorene Spielsachen und Dreiräder und viele andere Überraschungen.

Personensegment:
Der alte Mr. McFeeglebee ist ein grauer, zerknitterter alter Bauer, der graue, zerknitterte alte Overalls und graue, zerknitterte alte Stiefel trägt. Er hat sein ganzes Leben auf diesem Land gelebt, länger als die meisten Bäume. Little Georgie ist der Neffe von Mr. McFeeglebee aus der Stadt.

Mentales Segment:
Mr. McFeeglebee möchte nicht, dass kleine Jungen im Teich fischen. Aber der kleine Georgie tut so, als würde er es nicht bemerken. Er angelt so gerne und außerdem weiß er, dass er schneller laufen kann als jeder andere in der Stadt. Georgie beschließt, schnell wegzulaufen, wenn Mr. McFeeglebee ihn beim Angeln sieht.

Frage:
Was denkst du? Fischt der kleine Georgie im Teich? [Pause] Gute Arbeit! Zeit für die nächste Geschichte!

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