Warum sich Pupillen bei Überraschungen plötzlich weiten

Deine Pupillen weiten sich rasch, wenn du einen dunklen Raum betrittst. So fällt mehr Licht ins Auge und du kannst besser sehen. Bei helleren Lichtverhältnissen ziehen sie sich entsprechend wieder zusammen.

Dieser Reflex ist gut bekannt. Doch Pupillenerweiterungen können auch andere, weniger offensichtliche Ursachen haben.

Überraschung und Pupillenerweiterung

Bei einer Überraschung können sich die Pupillen beispielsweise weiten, als wären wir unvermittelt von Dunkelheit umgeben. Das gehört zu einer vorübergehenden Erregungsreaktion, deren Funktion und Auswirkungen auf das Verhalten bislang nur unzureichend verstanden sind.

Eine neue Studie beleuchtet nun den Zusammenhang zwischen Überraschung und Pupillengröße. Die Ergebnisse sprechen dafür, dass erweiterte Pupillen – und die allgemeinere Erregungsreaktion, die sie anzeigen – entscheidend dazu beitragen könnten, auf unerwartete Ereignisse zu reagieren.

Nach einer Überraschung scheint das Gehirn in einen „Auffrischungsmodus“ zu wechseln, erklärt der Mitautor Matt Nassar, außerordentlicher Professor für Neurowissenschaften sowie für kognitive und psychologische Wissenschaften an der Brown University. Erweiterte Pupillen seien eines der deutlichsten äußerlich sichtbaren Anzeichen dafür.

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

„Sie ermöglichen uns, mit einer Welt umzugehen, die sich häufig von einem Kontext zum nächsten verändert.“

(Deagreez/iStock/Getty Images Plus)

Studien haben gezeigt, dass Pupillenerweiterungen komplexer sind, als sie auf den ersten Blick wirken. Neben ihrer weithin bekannten Verbindung zur Beleuchtung von außen können sie möglicherweise zahlreiche innere Vorgänge widerspiegeln.

So können sich die Pupillen etwa durch geistige Anstrengung, körperliche Belastung oder emotionale Erregung weiten, ebenso durch bestimmte Medikamente. Ihre Größe kann außerdem Hinweise darauf geben, was du dir vorstellst oder welche Erinnerungen du im Schlaf erneut durchgehst.

Auch im Einklang mit der Atmung ändert sich die Pupillengröße regelmäßig: Beim Ausatmen werden die Pupillen typischerweise größer, zu Beginn des Einatmens enger.

Locus coeruleus und die Erregungsreaktion

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

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

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

Wie Nassar anmerkt, hatten frühere Untersuchungen bereits Hinweise auf Noradrenalinspitzen und weitere Erregungsmarker nach überraschenden Ereignissen gefunden. Welche Funktion sie erfüllen und wie sie das Verhalten beeinflussen könnten, ist jedoch weiterhin unklar.

Um dies zu untersuchen, rekrutierten Nassar und sein Team 63 gesunde erwachsene Teilnehmende. In einem Experiment sollten diese Vorhersagen über farbige Reize auf einem Bildschirm treffen.

Den Teilnehmenden wurde eine Reihe farbiger Flächen gezeigt. Zunächst sollten sie lediglich wiedergeben, welche Farben sie gerade gesehen hatten. Später sagten sie voraus, welche Farben im nächsten Bild erscheinen würden, und stützten sich dabei auf Muster, die sie aus früheren Bildern gelernt hatten.

Währenddessen erhoben die Forschenden physiologische Daten, darunter EEG-Signale und Veränderungen des Pupillendurchmessers. Damit wollten sie untersuchen, wie das Gehirn auf eine unerwartete Wendung reagiert.

„Wir wollten das Phänomen erfassen, das mit zwei übergeordneten Vorstellungen darüber verbunden ist, wie das Erregungssystem das Verhalten beeinflusst“, sagt Mitautor Harrison Marble, Forschungsassistent und Manager in Nassars Labor.

„Eine davon bezieht sich auf Lernen, die andere auf Wahrnehmungsverzerrung.“

Wie Überraschungen Lernen und Wahrnehmung beeinflussen

Wenn auf den Bildschirmen überraschende Farben erschienen, die den Vorhersagen widersprachen, erweiterten sich laut Studie tatsächlich die Pupillen der Teilnehmenden. Zugleich nahmen bestimmte Hirnwellen zu, die mit vorübergehender Erregung und der Aktivierung des Locus-coeruleus-/Noradrenalin-Systems verknüpft sind.

Diejenigen, bei denen diese Reaktion auftrat, schienen davon zu profitieren: Sie passten ihr Lernen angemessen an die jeweilige Situation an und zeigten weniger Wahrnehmungsverzerrungen.

Je stärker die Bilder ihren Erwartungen entsprachen, desto stärker wurden die Teilnehmenden voreingenommen. Ein unerwartetes Bild schien sie jedoch aus diesem Denkmuster herauszureißen. Die Daten zu Pupillen und Hirnwellen legen nahe, dass sie aus Überraschungen lernten und dieses Wissen in spätere Vorhersagen einfließen ließen.

Dies könnte ähnlich wie ein Auffrischungsmechanismus im Gehirn 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 man diesen Kontext. Veränderungen des Pupillendurchmessers sowie bestimmte EEG-Messwerte sind äußere Marker des Gehirns, die zeigen, dass es diesen neuen Kontext lädt“, sagt Nassar.

„Das begrenzt sowohl den Einfluss, den der vorherige Kontext auf die Wahrnehmung hatte, als auch schafft es eine unbeschriebene Grundlage, die 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 Prüfprozess, doch auch wir sind nur Menschen. Wenn dir ein Fehler auffällt, teile ihn uns bitte mit.