E35 Vorhersage der zukünftigen Entwicklung

Thema

Die Vorhersage der zukünftigen Entwicklung der Umwelt ermöglicht es einem Organismus, die systembedingten Verzögerungen seiner neuronalen Verarbeitung auszugleichen. Ohne diese Fähigkeit könnte ein Kontrollsystem, das erheblichen Verzögerungen unterliegt, instabil werden. Das zentrale Nervensystem verwaltet interne Modelle der Körper- und Umweltdynamik und kann so die Folgen seiner Handlungen antizipieren, bevor es die entsprechende sensorische Rückmeldung erhält. Verhalten hängt daher nicht nur von der Reaktion auf Vergangenes ab, sondern auch von der Abschätzung zukünftiger Ereignisse.

Ein lineares Zustandsmodell beschreibt die erwartete Entwicklung der Umwelt ausgehend von ihrem aktuellen Zustand. Allerdings nimmt die Unsicherheit aller Vorhersagen mit der Zeit seit der letzten Beobachtung zu. Wie in der Vorhersagephase eines Kalman-Filters wächst der potenzielle Fehler so lange, bis neue Informationen zur Korrektur der Schätzung eintreffen. Daher existiert ein sinnvoller Vorhersagehorizont: ein Intervall, ab dem die Unsicherheit so groß wird, dass die Vorhersage ihren praktischen Wert verliert. Je länger es dauert, bis eine neue Korrekturbeobachtung eintrifft, desto größer ist die akkumulierte Unsicherheit.

Das Abfangen eines sich bewegenden Objekts ist ein konkretes Beispiel für diese Vorhersagefähigkeit. Ein Frosch, der eine Fliege fängt, oder ein Spieler, der einen Ball fangen will, muss vorhersehen, wo sich das Objekt in Zukunft befinden wird, und handeln, bevor es eintrifft. Laut dem Text deuten Erkenntnisse darauf hin, dass der Organismus den Endpunkt des Auftreffens direkt abschätzen kann, anstatt die gesamte Flugbahn kontinuierlich zu rekonstruieren. Dieses Verhalten stimmt mit einem internen kinematischen Modell überein, das die Schwerkraft als Vorwissen berücksichtigt. Durch diese physikalische Regelmäßigkeit im Modell kann der Organismus den zukünftigen Treffpunkt effizienter vorhersagen, als wenn er die gesamte Flugbahn jedes Mal neu berechnen müsste.

Vorhersagen gelten auch für die sensorischen Folgen der eigenen Bewegungen. Das Prinzip der Vorhersage besagt, dass jeder motorische Befehl gleichzeitig eine Vorhersage des zu erwartenden sensorischen Signals erzeugt. Wenn die tatsächliche sensorische Information eintrifft, vergleicht das System sie mit der erwarteten Folge. Stimmen sie überein, kann das Signal abgeschwächt werden, da es einem bereits vorhergesagten Ereignis entspricht. Dieser Mechanismus erklärt laut dem Text, warum es schwierig ist, sich selbst zu kitzeln: Die sensorischen Folgen der eigenen Bewegung wurden bereits antizipiert. Wenn das tatsächliche Signal nicht mit der Vorhersage übereinstimmt, entsteht ein Vorhersagefehler, der auf ein unerwartetes Ereignis hinweist. Je größer die Differenz zwischen den vorhergesagten und den tatsächlich beobachteten Folgen des motorischen Befehls ist, desto größer ist dieser Fehler. Dieses Signal ermöglicht die Aktualisierung des internen Modells und die entsprechende Anpassung des Verhaltens.

Diese Mechanismen laufen in der modellbasierten prädiktiven Steuerung zusammen, die Aktionen auswählt, indem sie deren zukünftige Konsequenzen berücksichtigt und eine Kostenfunktion optimiert. Anstatt Bewegungen erst nach der Fehlererkennung zu korrigieren, kann der Organismus Einschränkungen wie Hindernisse oder Kraftgrenzen antizipieren und im Voraus eine geeignete Bewegungsbahn planen. Eine genauere Vorhersage zukünftiger Einschränkungen ermöglicht flüssigere und effizientere Bewegungen.

Dem Text zufolge ist das Kleinhirn an der vorausschauenden internen Modellkomponente dieses Systems beteiligt und sagt die Folgen von Aktionen ähnlich dem Prinzip eines Kalman-Filters voraus, während der präfrontale Cortex für die längerfristige Planung zuständig ist.

Insgesamt transformiert die Vorhersage die Verhaltenskontrolle von einem rein reaktiven zu einem antizipatorischen Prozess. Interne Modelle schätzen ab, wie sich Körper und Umwelt entwickeln werden; Beobachtungen korrigieren diese Schätzungen regelmäßig; das Herunterladen und Kopieren ermöglicht die Unterscheidung zwischen erwarteten und unerwarteten Folgen; und die prädiktive Kontrolle nutzt diese Antizipationen, um zukünftige Handlungen auszuwählen. So kann der Organismus neuronale Verzögerungen kompensieren, Objekte abfangen, Abweichungen von den Erwartungen erkennen und effiziente Bewegungen planen, bevor die tatsächlichen Folgen seiner Handlungen seine Sinne erreichen.

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