Warum Überraschungen deine Pupillen erweitern können

Überraschung und Pupillenerweiterung

Betrittst du einen dunklen Raum, erweitern sich deine Pupillen rasch, damit mehr Licht ins Auge fällt und du besser sehen kannst. Sobald die Umgebung wieder heller ist, ziehen sie sich entsprechend zusammen.

Dieser Reflex ist weithin bekannt. Doch Pupillenerweiterungen können auch aus anderen, weniger offensichtlichen Gründen auftreten.

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

Eine neue Studie beleuchtet nun den Zusammenhang zwischen Überraschung und Pupillengrösse. Ihre Ergebnisse liefern Hinweise darauf, dass erweiterte Pupillen – und die umfassendere Erregungsreaktion, für die sie stehen – wesentlich 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 auffälligeren äusseren Anzeichen dafür.

„Die Erweiterung der Pupillen signalisiert einen Anstieg der Erregung, und unsere Ergebnisse stützen die Annahme, dass diese raschen Schwankungen der Erregung im Gehirn etwas Nützliches bewirken“, sagt Nassar.

„Sie ermöglichen uns, mit einer Welt umzugehen, die häufig von einem Kontext in einen anderen wechselt.“

(Deagreez/iStock/Getty Images Plus)

Untersuchungen haben gezeigt, dass die Erweiterung der Pupillen komplexer ist, als sie auf den ersten Blick wirkt. Sie kann neben dem bekannten Zusammenhang mit äusseren Lichtverhältnissen auch verschiedene innere Zustände widerspiegeln.

So können sich die Pupillen etwa durch kognitive Anstrengung, körperliche Belastung oder emotionale Erregung erweitern; auch bestimmte Medikamente können diesen Effekt auslösen. Ihre Grösse kann ausserdem Hinweise darauf geben, was du dir gerade vorstellst oder welche Erinnerungen du im Schlaf erneut durchlebst.

Auch im Takt der Atmung verändert sich die Pupillengrösse regelmässig: Üblicherweise werden die Pupillen beim Ausatmen weiter und verengen sich zu Beginn des Einatmens.

Die Rolle des Locus coeruleus

An den Erregungsschwankungen nach einer Überraschung ist teilweise der Locus coeruleus beteiligt, 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.

Nach einem überraschenden Ereignis wird der Locus coeruleus häufig aktiv. Seine gesteigerte Aktivität steht sowohl mit Veränderungen der Pupillengrösse als auch mit bestimmten Hirnwellen in Zusammenhang, die mittels Elektroenzephalografie (EEG) nachweisbar sind.

Frühere Forschung habe bereits Hinweise auf Noradrenalinspitzen und andere Erregungsmarker nach überraschenden Ereignissen gefunden, merkt Nassar an. Welche Aufgabe sie erfüllen und wie sie das Verhalten beeinflussen könnten, sei jedoch weiterhin unklar.

Um das zu untersuchen, rekrutierten Nassar und sein Team 63 gesunde erwachsene Teilnehmende für ein Experiment. Sie sollten Vorhersagen über farbige Reize auf einem Bildschirm treffen.

Auf den Bildschirmen erschienen nacheinander farbige Flächen. Zunächst sollten die Teilnehmenden lediglich angeben, welche Farben sie gerade gesehen hatten. Später mussten sie anhand von Mustern, die sie aus früheren Bildern gelernt hatten, vorhersagen, welche Farben im nächsten Bild auftauchen würden.

Währenddessen erfassten die Forschenden physiologische Daten, darunter EEG-Signale und Veränderungen des Pupillendurchmessers. So 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 der Mitautor Harrison Marble, Forschungsassistent und Manager in Nassars Labor.

„Eine davon betrifft das Lernen, die andere die Wahrnehmungsverzerrung.“

Wie Überraschungen Lernen und Wahrnehmung verändern

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

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

Je stärker die Bilder den Erwartungen der Teilnehmenden entsprachen, desto ausgeprägter wurden ihre Verzerrungen. Ein unerwartetes Bild schien sie jedoch aus diesem Muster herauszureissen. Die Daten zu Pupillen und Hirnwellen deuten darauf hin, dass sie aus Überraschungen lernten und diese Erkenntnisse für spätere Vorhersagen nutzten.

Das könnte wie eine Art Auffrischungsmechanismus des Gehirns funktionieren: Er hilft uns, überholte Erwartungen abzulegen, und bereitet uns darauf vor, neue Erwartungen zu lernen.

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„Das Gehirn hält an einem bestimmten mentalen Kontext fest, und wenn es dann erkennt, dass du dich in einer neuen Situation befindest, ersetzt du 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 Tafel, die nicht durch frühere Erwartungen belastet ist und damit schnelleres Lernen ermöglicht“, fügt er hinzu.

Die Studie wurde in Nature Human Behaviour veröffentlicht.

Dieser Artikel wurde von Fiona MacDonald faktengeprüft und von Fiona MacDonald redigiert. Wir sind zwar stolz auf unseren Prozess, aber auch nur Menschen. Falls dir ein Fehler auffällt, teile ihn uns bitte mit.