Geometrie neuronaler Dynamik entlang der kortikalen Attraktorlandschaft spiegelt Aufmerksamkeitsveränderungen wider

Wie unsere abschweifenden Gedanken verborgenen Pfaden folgen

Wir alle kennen das Gefühl, in einer Aufgabe tief versunken zu sein im Vergleich dazu, beiläufig eine Sendung zu verfolgen. Diese Studie stellt eine einfache, aber kraftvolle Frage: Bewegt sich die großräumige Hirnaktivität in diesen Situationen unterschiedlich, als würde sie über eine Landschaft mit Hügeln und Tälern reisen? Indem die Forscher die Hirnaktivität als einen beweglichen Punkt in dieser Landschaft betrachten, zeigen sie, dass Veränderungen der Aufmerksamkeit — ob wir nun auf eine anspruchsvolle Aufgabe fokussiert sind oder eine Sitcom schauen — eng damit verknüpft sind, wie die Aktivität des Gehirns über dieses verborgene Terrain fließt.

Eine Landschaft von Gehirnzuständen

Die Autoren stellen sich die Gesamtaktivität des Gehirns als einen Punkt vor, der sich durch einen „Zustandsraum“ bewegt, in dem jede Position widerspiegelt, wie aktiv verschiedene Hirnregionen sind. In diesem Raum sind manche Aktivitätsmuster besonders stabil und ziehen die Hirnaktivität wie Täler in einer hügeligen Landschaft an. Diese Täler, sogenannte Attraktoren, entsprechen wiederkehrenden großräumigen Mustern neuronaler Aktivität oder „Gehirnzuständen“. Mithilfe mathematischer Modelle, angewandt auf funktionelle MRT-Daten aus Hunderten von Sitzungen mit Ruhe, Aufgaben und Filmwiedergabe, zeigt die Studie, dass sich die Hirnaktivität in Abwesenheit neuer Einflüsse meist in einen kleinen Satz dieser Täler schieben würde, anstatt endlos umherzuwandern.

Stabile Muster über die Großhirnrinde kartieren

Um festzulegen, wo diese Täler liegen, passten die Forscher ein dynamisches Systemmodell an Hirndaten aus zwei öffentlichen Datensätzen an. Das Modell trennt interne Einflüsse — wie verschiedene Hirnregionen einander beeinflussen — von externen Einflüssen, etwa visuellen oder akustischen Reizen. Anschließend simulierten sie, was passieren würde, wenn die modellierte Hirnaktivität von vielen unterschiedlichen Startpunkten aus vorwärtsläuft. Diese Simulationen mündeten fast immer in einigen wenigen stabilen Mustern. Als sie diese Muster gruppierten, stellten sie fest, dass die resultierenden Attraktoren mit bekannten großräumigen Netzwerken im Gehirn übereinstimmten: Regionen, die an innerer Gedankenverarbeitung beteiligt sind (häufig als Default-Mode-Bereiche bezeichnet), und Regionen, die sensorische Eingänge und Bewegung verarbeiten. Anders gesagt: Die „Täler" in der Landschaft werden weitgehend durch die grundlegende Verschaltung des Gehirns und bekannte funktionelle Netzwerke bestimmt.

Aufmerksamkeit verändert den Weg, nicht die Orientierungspunkte

Obwohl die Haupttäler ungefähr an denselben Stellen blieben, bewegte sich das Gehirn nicht immer auf dieselbe Weise über die Landschaft. Das Team untersuchte Moment für Moment, wie schnell und in welche Richtung sich die modellierte Hirnaktivität relativ zum nächsten Attraktor bewegte. Sie unterschieden zwischen Bewegung, die durch interne Dynamik des Gehirns angetrieben wird, und Bewegungen, die durch einströmende Reize beeinflusst werden. Während anspruchsvoller Aufmerksamkeitsaufgaben — bei denen Teilnehmende zuverlässig auf schnell dargebotene Bilder reagieren mussten — wiesen die internen Dynamiken des Gehirns direkt auf einen bestimmten Attraktor hin, der mit dem Default-Mode-Netzwerk assoziiert ist, und fielen schnell hinein, als sei jener Teil der Landschaft steiler und trichterförmiger geworden. Im Gegensatz dazu bewegten sich die internen Dynamiken beim Sitcom-Schauen, wenn die Teilnehmenden ein hohes Engagement berichteten, tendenziell langsamer und weg von den Attraktoren, sodass das Gehirn in einem flacheren, zentraleren Bereich der Landschaft umherstreifte.

Unterschiedliche Kontexte, unterschiedliche Neigungen

Diese gegensätzlichen Muster legen nahe, dass Aufmerksamkeit nicht einfach „hoch“ oder „niedrig“ ist, sondern je nach Tätigkeit unterschiedlich zum Ausdruck kommt. Bei anstrengenden Aufgaben entspricht Aufmerksamkeit dem schnellen Einsinken des Gehirns in ein aufgaberelevantes Tal, wodurch seine Dynamik stabiler und zielgerichteter wird. Bei fesselnden Geschichten scheint aufmerksames Engagement hingegen damit einherzugehen, dass das Gehirn in einem flacheren Bereich zwischen den Tälern schwebt und weniger zu einem einzelnen festen Zustand hingezogen ist. Wichtig ist, dass diese Veränderungen durch die intrinsische Dynamik des Gehirns getrieben wurden, nicht durch die rohe Stärke sensorischer Eingänge. Das impliziert, dass interne Mechanismen — möglicherweise beteiligte chemische Signalsysteme im Gehirn — die Art und Weise verändern, wie die Landschaft erlebt wird, ohne die zugrundeliegenden Täler selbst zu verschieben.

Was das für das Verständnis von Fokus bedeutet

Für Laien lautet die Erkenntnis: Die „Karte" möglicher Gehirnzustände ist ziemlich stabil, aber wie man sich über diese Karte bewegt, ändert sich mit dem Aufmerksamkeitszustand und der jeweiligen Situation. Wenn Sie sich auf eine anspruchsvolle Aufgabe konzentrieren, fällt die Hirnaktivität schnell in eine bestimmte tiefe Rinne, die stabile, präzise Leistung unterstützt. Wenn Sie in einen Film vertieft sind, gleitet das Gehirn stattdessen über eine flachere Region und bleibt flexibel, weniger in ein einziges Muster gebunden. Indem diese Dynamiken als Bewegung über eine Landschaft modelliert werden, bietet diese Arbeit eine geometrische Perspektive darauf, wie sich veränderliche innere Zustände wie Aufmerksamkeit aus großräumigen Mustern neuronaler Aktivität ergeben.

Zitation: Song, H., Chen, R., Botch, T.L. et al. Geometry of neural dynamics along the cortical attractor landscape reflects changes in attention. Nat Commun 17, 2673 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69041-8

Schlüsselwörter: Aufmerksamkeit, Hirnnetzwerke, neurale Dynamik, Attraktorlandschaft, fMRT