Zeitgefühl Wenn das Ohr den Takt vorgibt

Forscher haben lange nach einem Metronom im Kopf gesucht. Doch die Uhr ist offenbar direkt in unsere Sinne eingebaut.

Wie lange dauern 30 Millisekunden? Diese Zeit braucht der Airbag in einem Auto, bis er nach einem Aufprall reagiert. Die Spanne ist für die menschliche Selbstwahrnehmung so kurz, dass vermutlich niemand von sich behaupten würde, er könne sie akkurat schätzen. Ohne dass wir uns dessen bewusst sind, ist unser Gehirn jedoch ständig damit beschäftigt, solche extrem kleinen Zeiträume zu messen, unter anderem beim Verstehen von gesprochener Sprache: So entscheidet die Dauer zwischen dem Öffnen der zusammengepressten Lippen und dem Beginn der Vibration der Stimmbänder darüber, ob wir ein B oder ein P hören – im ersten Fall sind es weniger als 30 Millisekunden, im zweiten Fall mehr. Doch wie misst unser Gehirn solche kurzen Zeitspannen?

Diese Frage untersucht Dean Buonomano von der University of California in Los Angeles. Das bislang bekannteste Erklärungsmodell, sagt der Professor für Neurobiologie, sei die Vorstellung einer »inneren Uhr«, bei der spezialisierte Zellen – ähnlich dem Ticken eines Metronoms – in regelmäßigen Abständen Nervenimpulse aussenden. Tatsächlich haben Forscher in den Gehirnen aller Säugetierarten solche Taktgeberzellen gefunden. Beim Menschen regulieren sie beispielsweise auch die Ausschüttung des Schlafhormons Melatonin im 24-Stunden-Rhythmus und sorgen somit dafür, dass wir jeden Abend müde werden.

Der neuronale Taktgeber ist für die Wahrnehmung zu langsam

Dean Buonomano hält diese biologischen Uhren jedoch für ungeeignet, um die große Genauigkeit des Gehirns bei der Messung kleinster Zeiteinheiten zu erklären. Denn um einen Unterschied von fünf Millisekunden feststellen zu können, müssten die taktgebenden Zellen mindestens 200 Mal pro Sekunde ihre Impulse senden. »Auf neurophysiologischer Ebene«, sagt Buonomano, »erscheint eine Oszillation mit dieser Frequenz unwahrscheinlich.«

Eine neuere Theorie, die der Forscher zusammen mit Uma Karmarkar von der University of California in Berkeley in der Februar-Ausgabe von Neuron darlegt, kommt daher ganz ohne die Hilfe eines Uhrwerks aus. Um kleinste Zeitunterschiede festzustellen, sagt Buonomano, mache sich das Gehirn stattdessen eine seiner grundlegendsten Eigenschaften zunutze: seine Veränderlichkeit. Denn jeder Reiz, der von den Sinnesorganen aufgenommen wird, beeinflusst kurzzeitig auch den Zustand des neuronalen Netzwerks.

So aktiviert jeder wahrgenommene Ton eine Vielzahl von Nervenzellen im Hörzentrum, die diese Erregung in Form von elektrischen Impulsen weitergeben und dann wieder in ihren Ausgangszustand zurückkehren. Bis das gesamte System wieder seinen ursprünglichen Zustand erreicht hat, dauert es einen Moment – nach heutigem Wissen mehrere Hundert Millisekunden. Folgt in dieser Zeit nun ein zweiter Reiz, befindet sich das Netzwerk, auf das er trifft, in einer anderen Verfassung als beim ersten Stimulus: Manche grauen Zellen sind noch aktiv mit der Weitergabe der Impulse beschäftigt, während bei anderen die Erregung schon wieder abgeklungen ist.

Wie Wellen auf einem See wandeln sich die Nervenmuster

In dem Unterschied zwischen diesen beiden Zuständen, so Buonomanos Idee, ist die Information über die Dauer der verstrichenen Zeit bereits enthalten. Der Forscher vergleicht seine Hypothese mit den Wellen, die ein Stein auf der Oberfläche eines Sees schlägt: Anhand der Beschaffenheit und der Ausbreitung der Wellen ließe sich exakt berechnen, wann genau der Stein auf das Wasser traf. Ähnlich verhält es sich mit den elektrischen »Wellen« in unserem Neuronengeflecht: 40 Millisekunden nach dem ersten Ton ist die Erregungsausbreitung schon weiter fortgeschritten als noch nach 30 Millisekunden. Das Muster verändert sich.

Um zu überprüfen, ob diese Art der Zeitmessung plausibel ist, führten die Forscher in Buonomanos Labor in Los Angeles unter anderem eine Computersimulation durch. Dabei konnten sie ein Netzwerk von nur 500 virtuellen Zellen ohne große Probleme darauf trainieren, zwischen verschiedenen zeitlichen Mustern zu unterscheiden. Aber auch Untersuchungen an realen Versuchspersonen sprechen nach Ansicht des Neurobiologen eher dafür, dass es kein eigenes Metronom im Kopf gibt, das den Zeitverlauf im Millisekundenbereich misst.

Buonomanos Theorie hätte unter anderem Auswirkungen auf die Untersuchung von Sprachstörungen. »Die Verarbeitung zeitlicher Informationen ist entscheidend für das Verständnis von Sprache«, sagt der Neurobiologe. »Zu begreifen, wie das Gehirn Zeit misst, wäre daher ein wichtiger Schritt, um die Ursache von Krankheiten wie beispielsweise Legasthenie zu verstehen.«