A portable solution for simultaneous human movement and mobile EEG acquisition: readiness potential for basketball free-throw shooting

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen zu verstehen, wie ein Automotor funktioniert, aber Sie dürfen ihn nur betrachten, während er in einer ruhigen Garage parkt, völlig unbeweglich. Sie können die Teile sehen, aber Sie haben keine Vorstellung davon, wie sie sich verhalten, wenn das Auto tatsächlich mit hoher Geschwindigkeit über eine Autobahn rast, Schlaglöcher passiert oder Kurven fährt. Dies ist genau das Problem, mit dem Wissenschaftler bei der Erforschung des menschlichen Gehirns konfrontiert sind. Jahrzehntelang benötigten die besten Werkzeuge zur Kartierung der Gehirnaktivität, wie etwa MRT-Geräte, dass Menschen vollkommen still liegen mussten. Selbst die flexibleren Hirnscanner, die winzige Sensoren auf der Kopfhaut verwenden, mussten meist an schwere Computer angeschlossen sein, was es schwierig machte, Menschen während tatsächlicher Bewegungen zu untersuchen.

Aber was wäre, wenn wir einen Blick in das Gehirn werfen könnten, während jemand Basketball spielt, tanzt oder läuft? Dies ist die aufregende Welt des „mobilen Brain-Imagings“. Wissenschaftler fragen sich nun: Können wir den „Vorbereitungsmodus“ des Geors beobachten, während eine Person sich darauf vorbereitet, etwas Komplexes zu tun? Eines der berühmten Signale, nach denen sie suchen, ist das sogenannte „Bereitschaftspotenzial“ (Readiness Potential, RP). Betrachten Sie das RP als das interne „3, 2, 1... Los!“-Konto des Gehirns. Es ist eine langsame, leise elektrische Welle, die sich im Gehirn aufbaut, kurz bevor man entscheidet, eine Hand oder ein Bein zu bewegen. Normalerweise sehen wir diesen Countdown-Signal nur, wenn Menschen in einem Labor einen einfachen Knopf drücken. Aber sieht dieser Countdown anders aus, wenn ein Profisportler kurz davor ist, einen Freiwurf zu setzen? Und sagt die Stärke dieses Countdowns aus, ob der Wurf in den Korb geht? Das ist die große Frage, die diese neue Studie unter Verwendung eines Rucksack-Aufbaus zu beantworten versucht. Details zur Studie finden Sie unter: https://juliuswelzel.github.io/eeg_basketball_website/

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Das Gehirn-Labor im Taschenformat

Lernen Sie Miguel und sein Team kennen, eine Gruppe von Wissenschaftlern, die beschlossen hat, das Labor aus dem Gebäude direkt auf den Basketballplatz zu verlegen. Anstatt riesige, teure Maschinen zu verwenden, bauten sie ein „taschengerechtes“ Setup aus zwei Smartphones, einer kabellosen Gehirn-Sensor-Kappe und einem winzigen Armband. Es klingt wie ein technisches Gadget aus einem Science-Fiction-Film, aber es wurde so konzipiert, dass es einfach, günstig und leicht genug ist, damit die Spieler es nicht einmal bemerken würden.

Sie versammelten 26 Basketballspieler im Alter von 18 bis 32 Jahren und baten sie, das zu tun, was sie am besten können: jeweils 120 Freiwürfe zu werfen. Während die Spieler sich auf den Korb konzentrierten, zeichnete das Team zwei Dinge exakt gleichzeitig auf: die elektrische Aktivität in den Gehirnen der Spieler (über die kabellose Kappe) und ihre Körperbewegungen (über die Smartphone-Kameras und einen Armsensor). Das Ziel war es zu sehen, ob sie das „3, 2, 1... Los!“-Gehirnsignal (das Bereitschaftspotenzial) unmittelbar vor dem Anheben des Balls erfassen konnten und ob sich dieses Signal änderte, je nachdem, ob der Wurf ein „Swish“ (direkt durch den Korb) oder ein „Clank“ (gegen den Ring) war.

Der Countdown des Gehirns ist real (aber kein Kristallball)

Zuerst wollte das Team wissen: Können wir das Vorbereitungssignal des Gehirns tatsächlich mitten in einem lauten, bewegten Basketballspiel sehen? Die Antwort war ein klares Ja.

Genau wie im ruhigen Labor fanden die Wissenschaftler ein deutliches „Countdown“-Signal in den vorderen und zentralen Bereichen des Ge{\text{ä}}hrns. Etwa 400 Millisekunden (das sind weniger als eine halbe Sekunde) bevor die Spieler mit ihrer Wurfbewegung begannen, zeigte das Gehirn eine ausgeprägte negative elektrische Senkung. Das Signal war am Scheitelpunkt des Kopfes (am Cz-Kanal) am stärksten, wo die Spannung signifikant abfiel und unmittelbar vor der Bewegung Werte von bis zu -13,52 Mikrovolt erreichte. Dies bewies, dass das Team selbst unter den Bedingungen, dass sich die Spieler bewegten, schwitzten und einen Ball warfen, das „Bereitmachen“-Signal des Gehirns mithilfe ihres Smartphone-Setups erfolgreich erfassen konnte. Es ist, als würde man versuchen, ein Flüstern in einem überfüllten Stadion zu hören; das Team fand einen Weg, das Rauschen auszublenden und das leise Vorbereiten des Gehirns zu hören.

Der Mythos vom „magischen Signal“: Warum das Gehirn den Punktestand nicht vorhersagt

Hier wird die Geschichte interessant. Das Team hatte eine zweite, größere Hoffnung: Sie wollten sehen, ob die Stärke dieses Gehirn-Countdowns vorhersagen konnte, ob der Wurf erfolgreich sein würde. Vielleicht, so die Vermutung, bedeute ein stärkerer „Countdown“, dass der Spieler konzentrierter sei und den Wurf treffen würde, während ein schwächerer Countdown auf einen Fehlschlag hindeutete.

Doch die Daten sagten nein.

Als sie die Gehirnsignale für erfolgreiche Würfe (Treffer) mit erfolglosen Würfen (Fehlwürfen) verglichen, fanden sie keinen Unterschied. Der „Countdown“ des Gehirns sah fast identisch aus, egal ob der Ball durch den Korb ging oder gegen den Ring prallte. Das Team berechnete, dass das Gehirnsignal weniger als 5 % des Unterschieds zwischen einem Treffer und einem Fehlwurf erklärte. Mit anderen Worten: Das Vorbereitungssignal des Gehirns ist kein Kristallball, der einem sagen kann, ob ein Basketballspieler punkten wird. Die Gehirne der Spieler bereiteten sich genauso intensiv auf einen Fehlwurf vor wie auf einen Treffer.

Der Körper erzählt eine andere Geschichte

Wenn das Gehirnsignal den Punktestand nicht vorhersagte, tat es die Körperbewegung? Das Team nutzte ihre Smartphone-Kameras, um die Posen der Spieler zu analysieren und beobachtete dabei die Position von Handgelenken, Ellbogen und Schultern in jedem Moment.

Diesmal fanden sie einige Hinweise, aber diese waren knifflig. Bei etwa 38 % der Spieler (10 von 26) gab es tatsächlich spezifische Unterschiede darin, wie sie ihren Körper hielten, wenn sie einen Wurf machten im Vergleich zu wenn sie daneben warfen. Zum Beispiel hielten einige erfolgreiche Werfer ihre Handgelenke vor dem Wurf etwas tiefer in Bezug auf ihre Hüften, während andere ihre Handgelenke im Moment des Loslassens höher hielten. Diese Unterschiede waren jedoch sehr individuell. Was für einen Spieler funktionierte, funktionierte nicht für den anderen. Die Körpersprache eines „guten Wurfs“ war keine einzelne, universelle Regel; sie war eher wie eine persönliche Handschrift. Selbst bei den Spielern, bei denen die Körperposition eine Rolle spielte, erklärte die Pose nur etwa 4,5 % des Unterschieds.

Das Fazit: Eine neue Art, das Gehirn zu beobachten

Was hat diese Studie also tatsächlich bewiesen? Sie hat bewiesen, dass man ein günstiges, tragbares Gehirn-Labor bauen kann, das nur aus zwei Smartphones und einer kabellosen Kappe besteht, und dass es gut genug funktioniert, um das „Countdown“-Signal des Gehirns während komplexer sportlicher Handlungen zu erfassen. Das ist ein riesiger Schritt nach vorn für die Wissenschaft und zeigt, dass wir nicht an einen Stuhl gefesselt sein müssen, um das Gehirn zu untersuchen.

Die Studie hat jedoch auch eine populäre Idee widerlegt: nämlich die Idee, dass die Stärke dieses Gehirnsignals ein einfacher Prädiktor für den sportlichen Erfolg ist. Das Gehirn bereitet sich vor, aber diese Bereitschaft garantiert nicht, dass der Wurf in den Korb geht. Die wahren Geheimnisse eines erfolgreichen Wurfs scheinen in den winzigen, individuellen Eigenheiten zu liegen, wie jeder Spieler seinen Körper bewegt, und nicht in einem einzigen, lauten Gehirnsignal.

Diese Forschung legt nahe, dass wir zwar nun in der Lage sind, das Vorbereiten des Gehirns in der realen Welt „zuzuhören“, können, das Verständnis darüber, wie genau diese Vorbereitung in einen perfekten Wurf übergeht, jedoch weiterhin ein komplexes Rätsel bleibt. Es geht nicht nur darum, dass das Gehirn „Los!“ sagt; es geht darum, wie dieses „Los!“ in einen einzigartigen, persönlichen Tanz aus Muskeln und Gelenken übersetzt wird, der von Spieler zu Spieler variiert. Die Zukunft der Sportwissenschaft wird vielleicht nicht darin liegen, eine einzige magische Zahl für den Erfolg zu finden, sondern darin, die einzigartigen, chaotischen und wunderbaren Arten zu verstehen, wie unser Gehirn und unser Körper gemeinsam in Bewegung arbeiten.