Hyperscanning: Der neuronale Schlüssel zum Miteinander?

Einer der spannendsten aktuellen Trends in der neurowissenschaftlichen Forschung ist das Hyperscanning. Dabei werden nicht mehr einzelne Hirne isoliert betrachtet, sondern mehrere Personen gleichzeitig gescannt, um zu beobachten, wie ihre Gehirne in Interaktion arbeiten. Im ersten Teil dieses Artikels haben wir uns bereits damit beschäftigt, wie derartige Messverfahren aussehen und funktionieren. Die Quintessenz: In Interaktion scheinen die Gehirne mehrerer Menschen sich zu synchronisieren, mitzuschwingen. Eine wichtige Frage blieb dabei allerdings noch offen: Warum ist das so? Unsere neuronalen Netzwerke machen nichts aus Zufall, diese Synchronie muss also eine Bedeutung haben. In der heutigen Fortsetzung schauen wir uns daher an, was die aktuelle Forschung bislang dazu sagen kann.

Ein Tanz zwischen Ursache und Wirkung

Zurück zum Beispiel der musikalischen Interaktion: Wenn zwei Musiker im Einklang miteinander spielen, ist die neuronale Synchronie unmittelbar messbar. Doch was kommt zuerst? Ist das In-Takt-Schwingen der Gehirne die Ursache für die erfolgreiche Interaktion? Unterstützt es das gegenseitige aufeinander Abstimmen, das gemeinsame Musizieren? Oder ist das Synchronisieren mehr die Folge eines erfolgreichen Miteinanders, die sich automatisch einstellt, wenn beide gut aufeinander abgestimmt spielen?

Die Forschung konnte bislang klare Hinweise darauf liefern, dass das Synchronisieren der Gehirnaktivitäten nicht nur eine Folge sozialer Interaktion ist, sondern auch eine funktionale Bedeutung innehat, um erfolgreiche Interaktionen zu fördern [4, 5, 6]. Demnach scheint sie vor allem drei übergeordneten Zwecken zu dienen:

1. Aktionskoordination: Das Synchronisieren ermöglicht die Abstimmung von Handlungen durch geteilte zeitliche Verarbeitung, ebenso wie die Vorhersage des Handelns meines Gegenübers [1, 5, 6].
2. Informationsaustausch: Es ist notwendig für den effektiven Transfer von Wissen, wie etwa im Klassenzimmer zwischen Lehrenden und Lernenden [6].
3. Soziale Bindung: Es hilft uns, soziale Verbindungen effizient zu knüpfen und zu festigen [4, 5].

Die neuronale Synchronisierung scheint also ein adaptiver Mechanismus zu sein, der uns hilft Aufgaben vor allem in sozialer Interaktion besser zu lösen. Diese Annahme, dass die Synchronie ein Schlüssel zum Miteinander ist, lässt sich durch mehrere Hypothesen erklären: Sie könnte als „sozialer Klebstoff“ fungieren und uns helfen, Vertrauen aufzubauen und uns emotional verbunden zu fühlen. Gleichzeitig ist sie ein Effizienz-Booster: Für Gehirne ist es einfacher, im Gleichtakt zu arbeiten, um eine gemeinsame Aufgabe zu lösen – ähnlich wie beim Tanzen, wo man einen gemeinsamen Rhythmus findet, der alle Schritte leichter macht. Vor allem aber agiert die Synchronie als Vorhersage-Maschine. Sie ermöglicht es uns, das Verhalten unseres Gegenübers besser zu antizipieren. Musiker beispielsweise können durch diesen Gleichklang ahnen, was der andere als Nächstes tun wird [3, 4].

Neuronen bereiten sich vor: Synchronie als Antizipation

Das alles bedeutet allerdings noch nicht, dass unsere Gehirne in sozialer Interaktion dauerhaft synchron laufen. Ganz im Gegenteil, setzt die Synchronität ganz gezielt in bestimmten Phasen ein. Vor allem etwa in der Vorbereitung von Aktionen. Bei Gitarrenduos, so konnte bereits gezeigt werden, tritt die Synchronisation etwa drei Sekunden vor dem Beginn der koordinierten Handlung auf [1]. In diesem Moment stellen sich die Musikerinnen aufeinander ein und ihre Gehirne antizipieren die Aktion der jeweils anderen bereits. Beim Einsatz der Aktion ist die Synchronisation dann auf ihrem Höhepunkt. Dann, wenn die Musiker aktiv das gemeinsame Spiel abstimmen. Sobald die Aktion routinierter abläuft, nimmt die Synchronizität oft wieder ab [1]. Sie ist daher kein zufälliges Echo, sondern ein ressourceneffizienter Mechanismus zur gegenseitigen Vorhersage, um gezielt ein Miteinander abstimmen zu können.

Dirigent im Kopf

Auch andere musikalische Beispiele verdeutlichen die Bedeutung sich synchronisierender neuronaler Vorgänge, wenn sie die Koordination komplexer zeitlicher Abläufe, wie sie in der Musik erforderlich ist, unterstützen. Bei Jazz-Improvisationen spiegelte das Maß an Synchronizität etwa die Fähigkeit der Musiker wider, vorherzusagen, welche musikalischen Ideen ihre Kollegen als Nächstes spielen würden [3]. Sie scheint also einen schnellen und präzisen Informationsaustausch zwischen den Musikerinnen und Musikern zu begünstigen, was essenziell für komplexe musikalische Abfolgen ist.

Die Sprache der Synchronie: Was Frequenzen verraten

Selbst wenn zwei Gehirne im Takt sind, bedeutet das nicht, dass sie genau dasselbe tun. Vielmehr können wir beobachten, dass das Gehirn verschiedene „Kanäle“ oder Frequenzbänder nutzt, je nachdem, welche Aufgabe gerade ansteht und welche Art von Information synchronisiert werden muss.

Für Aufgaben, die motorische Koordination und präzise zeitliche Steuerung erfordern – wie etwa das gemeinsame Musizieren – werden primär langsame Rhythmen in den niedrigen Frequenzen (Delta und Theta: 1–8 Hz) in sensorimotorischen und frontalen Regionen aktiv [2]. Sie bilden den Arbeitstakt, der Musiker dabei unterstützt, ihre Bewegungen auf die Millisekunde genau aufeinander abzustimmen.

Im Gegensatz dazu werden für komplexe soziale und emotionale Prozesse, wie die schnelle soziale Wahrnehmung und die Koordination von Gefühlen, höhere Gamma-Frequenzen (30–60 Hz) genutzt [4]. Diese schnelleren Oszillationen sind notwendig, um sensorische Informationen schnell zu binden und in Echtzeit zu verarbeiten, wie es etwa bei der emotionalen Synchronisation von Paaren der Fall ist. Die Synchronisierung ist somit kontextabhängig und sieht anders aus, je nachdem, worüber sich die Gehirne gerade abstimmen [2, 4].

Vernetzung im Klassenzimmer

Auch im Klassenzimmer hat das Hyperscanning die Rolle der Synchronie als Index für den Lernerfolg herausgestellt. Zum einen ist eine Synchronie unter den Schülerinnen und Schülern festzustellen, wenn sie denselben Lernbedingungen ausgesetzt sind. Doch auch die neuronale Aktivität von Lehrpersonen, Schülerinnen und Schülern ist beim Unterrichten und Lernen gekoppelt. Diese Kopplung entsteht nur bei intakten Vorträgen. Wurde der Vortrag zeitlich durcheinander gewürfelt, konnte keine Synchronie beobachtet werden. Reines Zuhören oder das Teilen loser Information reicht nicht aus, damit die Hirne aller Beteiligten sich synchronisieren [6]. Nun könnte man meinen, im Klassenzimmer sehen und hören ja auch alle die gleichen Stimuli. Kein Wunder, dass wir ähnliche Aktivitätsmuster feststellen können. Forschende konnten solch eine Kopplung allerdings auch in höheren Verarbeitungsregionen feststellen, was sie auf das geteilte Verständnis der Inhalte zurückführen [6].

Auf einer Wellenlänge

Eine bekannte Redewendung besagt, dass man mit Menschen, mit denen man sich besonders gut versteht, auf einer Wellenlänge ist. Vor dem Hintergrund des Hyperscannings bekommt dies noch einmal eine ganz neue Bedeutung, denn die Forschung zeigt, dass die Synchronie stark von der Beziehung und Vertrautheit zwischen den interagierenden Personen abhängt [4, 5].

Gerade bei Menschen, die sich nicht kennen, konnten verschiedene Studien zeigen, dass eine Synchronisierung der Hirnaktivität durchaus von der Art der sozialen Begegnung und dem jeweiligen Gegenüber abhängt. In einer EEG-Studie war die neuronale Synchronie bei Fremden während natürlicher Gespräche oft abwesend [4]. Dennoch konnte aktive soziale Beteiligung die fehlende Vertrautheit teilweise kompensieren [4]. Auch bei ihnen korrelierte die neuronale Aktivität, wenn sie angeregt miteinander interagierten oder sich stark in die Diskussion eingebracht fühlten. Ein weiteres Ergebnis deutet zudem auf individuelle Unterschiede hin: Bei Männern korrelierte eine unsichere Bindung (Angst vor Nähe) negativ mit der neuronalen Synchronie, was darauf hindeutet, dass solche Bindungsmuster die Abstimmung zwischen Gehirnen stören können [4, 5].

Liebespaare laufen weniger synchron?!

Ganz anders sieht die sogenannte „neuronale Effizienz“ bei romantischen Paaren aus. Ihre Vertrautheit ermöglicht eine effiziente Ressourcenzuteilung, was sich je nach Aufgabe unterschiedlich zeigt [5]. Bei motorischen Aufgaben, die Präzision erfordern, zeigten Paare die höchste neuronale Synchronie, gepaart mit der besten Verhaltens-Synchronie, da sie ihr Wissen um den Partner für die perfekte Abstimmung nutzten. Bei Empathie-Aufgaben hingegen lieferten Paare die beste Verhaltens-Synchronie (sie unterstützten sich am besten), aber mit der geringsten neuronalen Synchronie.

Aus der Klinik

Ein spannendes Anwendungsgebiet für Hyperscanning ist die klinische Forschung, da soziale Interaktion oft im Kern psychischer Herausforderungen steht. Die zentrale Frage lautet: Was passiert, wenn die neuronale Synchronie fehlt oder anders strukturiert ist – und können wir die Verbindung wiederherstellen? Hyperscanning bietet potentiell ein Werkzeug, um die therapeutische Beziehung messbar zu machen. Eine starke neuronale Kopplung zwischen Klient und Therapeut könnte ein Indikator dafür sein, wie gut das Vertrauensverhältnis ist und wie erfolgreich der Informationsaustausch stattfindet. Und dass die therapeutische Beziehung einer der wichtigsten Faktoren für den Behandlungserfolg ist, ist in der klinisch-psychologischen Forschung schon lange eine gängige Auffassung.

Auch bei Paaren ist bekannt, dass die Bindungsmuster (z.B. Bindungsangst bei Männern) mit einer negativen Korrelation der Synchronie einhergehen können [5]. Die Messung der Synchronie beim Sprechen über Konflikte könnte Therapeuten helfen, gezielt an gestörten Mustern zu arbeiten, um die Effizienz der sozialen Vorhersage und Bindung zu verbessern. Schließlich ermöglicht es das Hyperscanning, genauer zu untersuchen, ob Menschen mit Schwierigkeiten in der sozialen Interaktion (wie z. B. im Autismus-Spektrum) eine schwächere oder anders geartete Synchronie aufweisen [7]. Statt nur das einzelne Gehirn zu betrachten, kann die Forschung nun messen, ob die Fähigkeit zur „Inter-Brain-Koordination“ betroffen ist, was neue therapeutische Perspektiven eröffnen könnte, die auf die Verbesserung der gegenseitigen Vorhersage abzielen.

Weniger Synchronie, aber gleiche Fähigkeit

Besonders interessant wird dieser Ansatz, wenn wir etwa das Autismus-Spektrum betrachten. Eine aktuelle Studie der Universität Montréal untersuchte die Gehirn-Synchronisation bei Imitationsaufgaben, indem sie ein neurotypisches Individuum entweder mit einem anderen neurotypischen Partner oder mit einer Person aus dem Autismus-Spektrum zusammenarbeiten ließen [7]. Die Forschenden nutzten EEG-Hyperscanning, um die Gehirnaktivität der Paare simultan aufzuzeichnen, während diese aufgefordert wurden, Handgesten zu imitieren. Dabei zeigte sich, dass die Gehirn-Synchronisation zwischen einem neurotypischen Menschen und einem Partner auf dem Autismus-Spektrum geringer war als zwischen zwei neurotypischen Partnern [7].

Die Personen aus dem Autismus-Spektrum waren genauso fähig, die Bewegungen ihres Partners zu imitieren und ihre eigenen Bewegungen zu synchronisieren. Der entscheidende Unterschied lag nicht in der Fähigkeit zur Imitation, sondern im „Turn-Taking“ (dem Wechsel zwischen Führen und Folgen) [7]. Die Personen aus dem Autismus-Spektrum waren weniger wahrscheinlich die Initiatoren der Bewegung, sondern folgten eher der Bewegung des Gegenübers.

Die Forschenden interpretierten diese Dynamik dahingehend, dass Autismus als eine relationale Bedingung und nicht primär als eine Störung des Individuums betrachtet werden sollte [7]. Da die sozialen Herausforderungen beidseitig gerichtet sind, liegt die Verantwortung für eine erschwerte Interaktion bei allen Beteiligten – nicht nur bei der Person mit Autismus.

Zukünftige Forschung: Kunstbasierte Therapieansätze

Die Forschung geht nun weiter, um die neuralen und kognitiven Grundlagen der atypischen emotionalen Kommunikation bei Autismus zu untersuchen. Ein entscheidendes Problem ist, dass herkömmliche Studien oft gesichtsbasierte Stimuli verwenden, was Befunde aufgrund von Themen wie Blickkontaktvermeidung oder sozialer Angst verfälschen kann [8].

Hier setzen innovative Ansätze an, wie ein interdisziplinäres Projekt an der Universität Wien [8]. Die Forscher entwickeln Paradigmen, bei denen Probanden Emotionen durch abstrakte Zeichnungen ausdrücken und erkennen müssen – eine Methode, um Emotionen ohne Gesichter oder Körper zu kommunizieren. Gekoppelt wird dies mit der fNIRS-Hyperscanning-Methode zur gleichzeitigen Messung der Gehirnaktivität mehrerer Teilnehmer.

Vom „Ich“ zum „Wir“

Hyperscanning verändert unseren Blick auf das menschliche Gehirn. Es ist kein isoliertes Organ, das nur auf Reize reagiert. Es ist vielmehr ein Organ, das fundamental darauf ausgelegt ist, im sozialen Dialog zu funktionieren. Die interpersonelle Synchronie dient als ein adaptiver, ressourceneffizienter Mechanismus, der sich in Frequenz, Ort und zeitlichem Muster an die jeweilige Aufgabe – Koordination, Lernen oder Empathie – anpasst.

Die akteulle Forschungslage zeigt: Synchronie ist ein messbares Zeichen für effektive Koordination, erfolgreiches Lernen und tiefe soziale Bindung. Wir kratzen gerade erst an der Oberfläche, um zu verstehen, was es heißt, Mensch zu sein – und zwar gemeinsam. Mit mobilen Messsystemen wie fNIRS und tragbaren EEGs, die den Weg aus dem Labor in den Alltag finden, wird dieser „neuronale Takt“ des Miteinanders in Zukunft noch viel deutlicher hörbar werden und uns neue Wege zum Verständnis und zur Optimierung unserer sozialen Welt eröffnen.

Quellen

1. Lindenberger, U., Li, S. C., Gruber, W., & Müller, V. (2009). Brains swinging in concert: cortical phase synchronization while playing guitar. BMC Neuroscience, 10, 22. https://doi.org/10.1186/1471-2202-10-22
2. Sänger, J. C., Müller, V., & Lindenberger, U. (2012). Intra- and interbrain synchronization and network properties when playing guitar in duets. Frontiers in Human Neuroscience, 6, 312. https://doi.org/10.3389/fnhum.2012.00312
3. Müller, V., & Lindenberger, U. (2019). Dynamic Orchestration of Brains and Instruments During Free Guitar Improvisation. Frontiers in Integrative Neuroscience, 13, 50. https://doi.org/10.3389/fnint.2019.00050
4. Kinreich, S., Djalovski, A., Kraus, L., Louzoun, Y., & Feldman, R. (2017). Brain-to-Brain Synchrony during Naturalistic Social Interactions. Scientific Reports, 7, 17478. https://doi.org/10.1038/s41598-017-17339-5
5. Djalovski, A., Dumas, G., Kinreich, S., & Feldman, R. (2020). Human attachments shape interbrain synchrony toward efficient performance of social goals. NeuroImage, 226. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2020.117600
6. Nguyen, M., Chang, A., Micciche, E. T., Meshulam, M., Nastase, S. A., & Hasson, U. (2020). Teacher–student neural coupling during teaching and learning. Social Cognitive and Affective Neuroscience, 16(1-2), 101–110. https://doi.org/10.1093/scan/nsab103
7. Moreau, Q., Brun, F., Ayrolles, A., Nadel, J., & Dumas, G. (2024). Distinct social behavior and inter-brain connectivity in Dyads with autistic individuals. Social Neuroscience, 19(2), 124–136. https://doi.org/10.1080/17470919.2024.2379917
8. Pelowski, M., Kim, H., & Silani, G. (o. J.). Abstract: Interdisciplinary Combination of Neuroscience, Clinical Psychology, and Empirical Aesthetics (University of Vienna Project) [Forschungsprojekt-Abstract]. Universität Wien. https://ucrisportal.univie.ac.at/en/projects/gehirnsynchronität-und-kommunikation-jenseits-des-angesichts

Beitragsbild Hyperscanning: freepik