E44 Aktive Erkundung der Umwelt

Thema

Aktive Exploration bedeutet, Sinnesaktionen gezielt auszuwählen, um die aus der Umwelt gewonnenen Informationen zu maximieren. Anders als bei der passiven Wahrnehmung, bei der der Organismus verfügbare Signale empfängt, steuert er hier aktiv, welche Informationen er aufnimmt. Er bewegt beispielsweise den Kopf, um besser zu riechen oder zu hören, führt sakkadische Augenbewegungen aus, verändert seine Position, sendet Signale aus, die über Echoortung oder Elektroortung mit der Umwelt interagieren, oder bewegt sich umher, um die Umwelt aus verschiedenen Perspektiven zu beobachten.

Die Wahl dieser Aktionen wird durch den Informationsgewinn bestimmt. Eine Aktion ist umso informativer, je stärker sie die Unsicherheit über den Zustand der Umwelt reduziert. Dieser Gewinn lässt sich als Differenz zwischen der Unsicherheit vor der Aktion und der Unsicherheit verstehen, die nach Beobachtung des Ergebnisses der Aktion voraussichtlich bestehen bleibt. Ein Organismus, der optimal exploriert, wählt daher die Sinnesaktion, die seine Unsicherheit am stärksten zu reduzieren verspricht. Diese aktive Suche stellt eine Form epistemischer Neugier oder Informationssuche dar, die sowohl bei Säugetieren als auch bei Insekten beim Betreten neuer Umgebungen beobachtet werden kann.

Die Informationsgewinnung konkurriert jedoch mit einem anderen Ziel: der Nutzung bereits vorhandenen Wissens, um eine unmittelbare Belohnung zu erhalten. Aus dieser Spannung entsteht das Explorations-Exploitations-Dilemma. Exploitieren bedeutet, bekannte Optionen zu wählen, die bereits gute Ergebnisse liefern; Erkunden hingegen bedeutet, Ressourcen für unsichere Optionen aufzuwenden, die sich möglicherweise als besser erweisen. Ein Mechanismus, der beide Strategien ausgleicht, fügt der erwarteten Belohnung jeder Aktion einen Explorationsbonus hinzu, der davon abhängt, wie viel darüber unbekannt ist. Wenig erprobte Optionen erhalten einen höheren Bonus, der jedoch mit der Wiederholung der Aktion und dem Gewinn weiterer Informationen abnimmt. So reduziert die Wahl einer Alternative schrittweise deren Unsicherheit und macht andere, noch wenig erforschte Optionen relativ attraktiver, wodurch der Kreislauf zwischen Handlung, Lernen und weiterer Exploration geschlossen wird.

Das aktive Schnüffeln von Nagetieren zeigt, wie sich dieses abstrakte Prinzip in einem physiologischen Mechanismus manifestieren kann. Aktives Einatmen erhöht die Geschwindigkeit, mit der ein Geruch die Rezeptoren erreicht, im Vergleich zur passiven Atmung erheblich. Die Konzentration des Duftstoffs an den Rezeptoren nähert sich zunehmend der Umgebungskonzentration an, und dies geschieht schneller, wenn der eingeatmete Luftstrom zunimmt. Sobald sich beide Konzentrationen annähern, verlangsamt sich der Anstieg, was zu einem Sättigungsverhalten führt. Nagetiere synchronisieren ihr Schnüffeln mit ihrer Atmung, etwa 4 bis 12 Mal pro Sekunde, und verknüpfen so die Aufnahme olfaktorischer Informationen mit der periodischen Einatmung frischer Luft in die Nasenhöhle.

Die aktive Elektroortung schwach elektrischer Fische stellt eine völlig andere Lösung für dasselbe Problem dar. Der Fisch erzeugt ein elektrisches Feld um seinen Körper und detektiert die Störungen, die entstehen, wenn ein Objekt mit einer von Wasser abweichenden Leitfähigkeit in dieses Feld eintritt. Die Stärke der Störung hängt von der Leitfähigkeitsdifferenz, dem Volumen des Objekts und seiner Entfernung vom Fisch ab und nimmt mit zunehmender Entfernung stark ab.

Die räumliche Verteilung dieser Störungen an den elektrischen Rezeptoren der Haut ermöglicht es dem Fisch, Informationen über Größe, Form, Entfernung und elektrische Eigenschaften des Objekts zu gewinnen. Gymnotiformes verharren angesichts dieses Signals nicht passiv, sondern führen wiederholte Erkundungsbewegungen und Drehungen um das Objekt herum aus. Diese Bewegungen verändern gezielt das empfangene elektrische Muster und ermöglichen es ihnen, zusätzliche Informationen zu gewinnen, wodurch die Effektivität der Elektroortung maximiert wird.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass aktive Exploration den Organismus von einem passiven Empfänger zu einem Akteur macht, der selbst entscheidet, welche Informationen er aus seiner Umwelt gewinnt. Der Informationsgewinn liefert die Kriterien für die Auswahl von Handlungen; epistemische Neugierde treibt die Reduzierung von Unsicherheit voran; und das Explorations-Exploitations-Dilemma reguliert, wie viel Aufwand in die Entdeckung neuer Alternativen und wie viel in die Nutzung bereits bekannter Optionen investiert wird.

Das Schnüffeln von Nagetieren und die Elektroortung von Fischen stellen unterschiedliche physiologische Lösungen für dasselbe allgemeine Prinzip dar: die Interaktion mit der Umwelt bzw. mit den eigenen Sinnesorganen, um die empfangenen Informationen zu steuern. Auf diese Weise ermöglicht aktive Exploration eine gezielte und effiziente Reduzierung von Unsicherheit, indem sie die Suche nach neuen Informationen kontinuierlich mit der Nutzung des bereits vorhandenen Wissens des Organismus in Einklang bringt.

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