Neue Forschungsergebnisse von Neurowissenschaftlern am Trinity College Dublin zeigen, dass bereits zwei Monate alte Babys das, was sie sehen, in verschiedene Objektkategorien einordnen können. Diese Fähigkeit tritt offenbar viel früher auf, als Wissenschaftler bisher angenommen hatten, und deutet darauf hin, dass wichtige Bausteine der Wahrnehmung fast von Beginn des Lebens an vorhanden sind. Durch die Kombination von Bildgebung des Gehirns mit Modellen künstlicher Intelligenz gewannen die Forscher neue Erkenntnisse darüber, wie Säuglinge in ihren ersten Lebensmonaten denken und lernen. Die Ergebnisse tragen dazu bei, zu klären, was im Gehirn eines Babys geschieht, lange bevor es sprechen oder bewusste Bewegungen ausführen kann. Die Studie wurde kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Neuroscience von einem Forschungsteam des Trinity College Institute of Neuroscience (TCIN) und der School of Psychology veröffentlicht.
Was Wissenschaftler über die Gedankenwelt von Babys lernen
„Eltern und Wissenschaftler haben sich lange gefragt, was in den Köpfen von Babys vor sich geht und was sie tatsächlich sehen, wenn sie die Welt um sich herum betrachten. Diese Forschung unterstreicht die Vielfältigkeit der Gehirnfunktion im ersten Lebensjahr”, erklärt Dr. Cliona O’Doherty, die Hauptautorin der Studie, die die Arbeit im Cusack Lab des Trinity durchgeführt hat.
„Obwohl die Kommunikation von Säuglingen im Alter von zwei Monaten aufgrund fehlender Sprache und Feinmotorik eingeschränkt ist, repräsentierten ihre Gedanken bereits nicht nur, wie die Dinge aussehen, sondern sie fanden auch heraus, zu welcher Kategorie sie gehörten. Dies zeigt, dass die Grundlagen der visuellen Wahrnehmung bereits sehr früh und viel früher als erwartet vorhanden sind.“
In Zusammenarbeit mit den Coombe- und Rotunda-Krankenhäusern in Dublin rekrutierte das FOUNDCOG-Team 130 Säuglinge, die alle zwei Monate alt waren. Jedes Baby lag bequem auf einem weichen Sitzsack, trug geräuschunterdrückende Kopfhörer und sah sich 15 bis 20 Minuten lang helle, farbenfrohe Bilder an, die seine Aufmerksamkeit fesseln sollten. Diese Anordnung ermöglichte es den Forschern, mit Hilfe der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) die Muster der Gehirnaktivität aufzuzeichnen, während die Babys Bilder aus 12 vertrauten visuellen Kategorien wie Katze, Vogel, Gummiente, Einkaufswagen und Baum betrachteten.
Wie künstliche Intelligenz half, die Gehirnaktivität zu entschlüsseln
Nach der Erfassung der Gehirnscans verwendete das Team Modelle künstlicher Intelligenz, um zu analysieren, wie verschiedene visuelle Kategorien im Gehirn der Säuglinge dargestellt wurden. Durch den Vergleich der Aktivitätsmuster entlang der visuellen Erkennungswege in den Modellen und in den Gehirnen der Babys konnten die Forscher besser verstehen, wie die frühe Kategorisierung stattfindet.
„Diese Studie ist die größte Längsschnittstudie mit funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) an wachen Säuglingen. Der umfangreiche Datensatz, der die Gehirnaktivität erfasst, eröffnet eine völlig neue Möglichkeit, die Gedanken von Babys in einem sehr frühen Alter zu messen. Er unterstreicht auch das Potenzial von Neuroimaging und Computermodellen als Diagnosewerkzeug bei sehr kleinen Säuglingen“, sagt Teamleiter Rhodri Cusack, Thomas-Mitchell-Professor für Kognitive Neurowissenschaften an der Trinity School of Psychology und am Trinity College Institute of Neuroscience. „Babys lernen viel schneller als heutige KI-Modelle. Indem wir untersuchen, wie sie das tun, hoffen wir, eine neue Generation von KI-Modellen zu inspirieren, die effizienter lernen und so ihre wirtschaftlichen und ökologischen Kosten senken.“
Warum diese Erkenntnisse über das Labor hinaus wichtig sind
Dr. Anna Truzzi, die derzeit an der Queen’s University Belfast tätig ist und Mitautorin der Studie ist, betonte, wie die jüngsten Fortschritte diese Forschung ermöglicht haben. „Bis vor kurzem konnten wir nicht zuverlässig messen, wie bestimmte Bereiche des kindlichen Gehirns visuelle Informationen interpretieren. Durch die Kombination von KI und Neuroimaging bietet unsere Studie einen einzigartigen Einblick, der uns hilft, viel mehr darüber zu verstehen, wie Babys in ihrem ersten Lebensjahr lernen.“ Das erste Lebensjahr ist eine Phase schneller und komplexer Gehirnentwicklung.
Bereits bei der Geburt ist das Gehirn zwar in seinen grundlegenden Strukturen angelegt, viele funktionelle Systeme sind jedoch noch unreif und entwickeln sich erst in enger Wechselwirkung mit der Umwelt weiter. In dieser Zeit kommt es zu einer intensiven Bildung neuer neuronaler Verbindungen, einem Prozess, der als Synaptogenese bezeichnet wird. Dabei entstehen zwischen den Nervenzellen zahlreiche Synapsen, die die Grundlage für Informationsverarbeitung, Wahrnehmung, Bewegung und Lernen bilden. Besonders in den ersten Lebensmonaten ist die Anzahl dieser Verbindungen sehr hoch, da das Gehirn auf vielfältige Reize reagiert und verschiedene mögliche neuronale Netzwerke aufbaut.
Parallel dazu findet eine fortschreitende Myelinisierung statt. Hierbei werden Nervenfasern von einer Myelinschicht umgeben, die als elektrische Isolation wirkt und die Geschwindigkeit der Signalübertragung zwischen Nervenzellen deutlich erhöht. Durch diese Entwicklung verbessern sich nach und nach sensorische und motorische Fähigkeiten, beispielsweise die visuelle Wahrnehmung, die Hand-Auge-Koordination sowie die Kontrolle über Körperbewegungen. Auch grundlegende Reflexe werden zunehmend durch willkürliche Bewegungen ersetzt.
Neben der Bildung neuer Verbindungen spielt auch die selektive Stabilisierung und der Abbau von Synapsen eine wichtige Rolle. Dieser Prozess wird als Synaptisches Pruning bezeichnet. Dabei werden häufig genutzte neuronale Verbindungen gestärkt, während selten genutzte Verbindungen wieder abgebaut werden. Auf diese Weise passt sich das Gehirn an die individuellen Erfahrungen und Umweltbedingungen des Kindes an. Sinneseindrücke, soziale Interaktionen, Sprache und Bewegung tragen somit entscheidend zur Organisation der neuronalen Netzwerke bei.
Neurologische Entwicklungsstörungen und frühe Gehirnentwicklung
Darüber hinaus entwickeln sich im ersten Lebensjahr wichtige funktionelle Hirnareale weiter, darunter Regionen, die für Wahrnehmung, Gedächtnis, Emotionen und frühe Formen der Kommunikation verantwortlich sind. Diese Entwicklungen stehen in enger Verbindung mit der Reifung grundlegender kognitiver Prozesse, etwa der Aufmerksamkeit, der ersten Formen des Lernens sowie der Fähigkeit, vertraute Personen und Stimmen zu erkennen. Insgesamt zeichnet sich diese frühe Lebensphase daher durch eine besonders hohe neuronale Plastizität aus, wodurch das Gehirn sehr anpassungsfähig ist und empfindlich auf äußere Einflüsse reagiert.
Diese Studie liefert neue grundlegende Erkenntnisse, die als Leitfaden für die frühkindliche Bildung dienen, die klinische Unterstützung bei neurologischen Entwicklungsstörungen verbessern und zu biologisch fundierteren Ansätzen in der künstlichen Intelligenz inspirieren werden.“ Professor Eleanor Molloy, Neonatologin bei Children’s Health Ireland und Mitautorin, hob die allgemeine Bedeutung der Arbeit hervor. „Es besteht ein dringender Bedarf an einem besseren Verständnis darüber, wie neurologische Entwicklungsstörungen die frühe Gehirnentwicklung verändern, und die fMRT im Wachzustand hat ein beträchtliches Potenzial, dies zu untersuchen.“
