Neu entdeckter Hirnschaltkreis lässt Primaten Gesichter extrem schnell erkennen

Primaten können Gesichter mit erstaunlicher Geschwindigkeit aus dem Augenwinkel erkennen – dank eines neu entdeckten neuronalen Schaltkreises.

Hirnscans deuten darauf hin, dass Rhesusaffen (Macaca mulatta) einen verschwommenen Reiz in ihrem peripheren Blickfeld in weniger als 40 Millisekunden als Gesicht oder Objekt einordnen können. Das geschieht noch bevor die Tiere ihren Blick darauf richten, um den Reiz genau unterscheiden zu können.

Ein evolutionär alter Schaltkreis für Gesichter

Die rasche Informationsweitergabe läuft über eine evolutionär sehr alte „Abkürzung“: Sie führt von den Augen zu einem frühen Bereich des visuellen Kortex und weiter in einen Abschnitt des Mittelhirns, den Colliculus superior. Dieser Schaltkreis unterscheidet sich von dem Hirnnetzwerk, das vertraute Gesichter erkennt. Letzteres nutzt einen längeren Weg durch „jüngere“ Bereiche des visuellen Kortex von Primaten.

Das menschliche Gehirn kann ein vertrautes Gesicht im Zentrum des Sichtfelds beispielsweise rund 380 Millisekunden nach dessen erstmaliger Präsentation erkennen. Das ist etwa 80 Millisekunden schneller, als es ein unbekanntes Gesicht detektieren kann.

Der kürzere Schaltkreis benötigt noch weniger Zeit, kann jedoch lediglich etwas Gesichtsähnliches am Rand des Blickfelds erfassen.

Ob Neuronen im Colliculus superior beim Menschen dieselbe Aufgabe übernehmen wie bei Makaken, ist den Forschenden bislang nicht klar. Bekannt ist jedoch, dass sie kleinen Kindern dabei helfen, Gesichtern zu folgen und auf emotionale Reize zu reagieren.

„Dieser neu entdeckte Schaltkreis erklärt, wie wir Gesichter schnell erkennen und ansehen können, selbst wenn sie zunächst im peripheren Gesichtsfeld auftauchen, wo die Sehschärfe gering ist“, erläutert der Neurowissenschaftler Richard Krauzlis von den US National Institutes of Health (NIH).

„Dieser Schaltkreis könnte Gesichter hervorheben, damit das Gehirn lernt, Einzelpersonen zu erkennen und komplexe Gesichtsausdrücke zu verstehen, wodurch wir wichtige Fähigkeiten für soziale Interaktionen erwerben.“

NIH-Experimente mit Rhesusaffen

In Versuchen untersuchten Forschende der NIH die Gehirne von zwei Makaken und erfassten, welche Neuronen aktiv wurden, wenn den Tieren Bilder von Affengesichtern, menschlichen Gesichtern, Körpern, Händen, Obst oder Gemüse sowie menschengemachten Gegenständen gezeigt wurden.

Die Bilder erschienen knapp außerhalb des zentralen Blickfelds der Affen. Daher konnten sie nicht deutlich über die bekannten Hirnschaltkreise zur Gesichtserkennung wahrgenommen werden.

Am Ende zählte das NIH-Team 140 Neuronen im Colliculus superior, die am stärksten auf die Gesichter anderer Affen in der Peripherie reagierten.

Bei der Zusammenführung der Ergebnisse zeigte sich, dass beide Affen bereits 30 Millisekunden nach dem Erscheinen eines Bildes zwischen Gesichtern und Nicht-Gesichtern unterscheiden konnten. Nach 50 Millisekunden lag diese Unterscheidung bei 80 Prozent Genauigkeit, nach 90 Millisekunden erreichte sie mit 92 Prozent ihren Höchstwert.

Dagegen unterschied der Colliculus superior beider Tiere zwischen belebten und unbelebten Objekten erst etwa 65 Millisekunden nach der Bilddarstellung und dabei nur mit 75 Prozent Genauigkeit.

Schnellere Reaktion auf Gesichtszüge

Die langsamere Reaktion auf Objekte spricht dafür, dass höher gelegene Bereiche des Kortex erforderlich sind, um bewusst einzuordnen, was die Augen sehen. Merkmale, die zu einem Gesicht zu gehören scheinen, umgehen hingegen diesen längeren Weg und aktivieren unmittelbar Neuronen im Mittelhirn.

Die Ergebnisse tragen dazu bei zu erklären, weshalb Neugeborene ihren Blick auf Gesichter richten, obwohl sich in ihrem visuellen Kortex noch keine „Gesichtsareale“ entwickelt haben – Ansammlungen von Neuronen, die auf das Erkennen von Gesichtern spezialisiert sind. Ebenso fehlen ihnen noch die einzigartigen neuronalen Muster, welche Informationen zu jedem einzelnen vertrauten Gesicht kodieren.

Der neu entdeckte Schaltkreis erklärt außerdem, warum manche Primaten sich anderen Gesichtern mit einer Geschwindigkeit zuwenden, die sich nicht durch ihre Areal-Neuronen erklären lässt. Diese führen eine „langsamere, aber feinere Unterscheidung von Gesichtern“ durch.

Die Forschenden der NIH möchten nun untersuchen, ob derselbe Schaltkreis mit Vorliebe für Gesichter auch beim Menschen vorhanden ist.

„Wir glauben, dass dieser Schaltkreis mit seiner Vorliebe für Gesichter tatsächlich die Entwicklung der fortgeschritteneren Prozesse zur Gesichtserkennung im Gehirn antreiben könnte“, sagt Krauzlis.

„Falls das zutrifft, könnten Defizite bei dieser Gesichtspräferenz im Colliculus superior eine Rolle bei Autismus spielen.“

Die Studie wurde in Neuron veröffentlicht.