Abstract Representations of Sensorimotor Transformations in Human Premotor Cortex

Der menschliche Körper ist ein Wunderwerk der Anpassungsfähigkeit. Wir können nach einer Kaffeetasse auf einem überfüllten Schreibtisch greifen, dann sofort zum Tippen auf einer Tastatur übergehen und später einen Tennisschläger führen, um einen schnell fliegenden Ball zu treffen. Jede dieser Handlungen erfordert, dass das Gehirn ein visuelles Ziel – das Sehen, wo sich das Objekt befindet – in eine spezifische körperliche Bewegung übersetzt. Seit Jahrzehnten wissen Wissenschaftler, dass das Gehen im Gehirn eine Landkarte des Körpers enthält, in der bestimmte Bereiche aufleuchten, um verschiedene Muskeln zu steuern. Doch eine tiefergehende Frage blieb bestehen: Speichert das Gehirn lediglich eine Liste von Muskelbefehlen für jede mögliche Situation, oder besitzt es ein flexibleres, abstrakteres Verständnis dafür, wie man handelt? Wenn sich die Regeln des Spiels ändern, etwa wenn ein Werkzeug die Beziehung zwischen Hand und Objekt verändert, lernt das Gehirn dann alles von Grund auf neu, oder erkennt es die neue Regel und wendet eine andere Art von Logik an? Das Verständnis dieser Unterscheidung ist entscheidend, da es offenbart, wie wir neue Fähigkeiten so schnell erlernen und wie wir die Kontrolle behalten, wenn sich unsere Umgebung unerwartet verändert.

Um dies zu untersuchen, wandten Forscher ihre Aufmerksamkeit dem sensorimotorischen Kortex zu, einer Region des Gehirns, die sich nahe der Oberseite des Kopfes befindet und für die Planung und Ausführung von Bewegungen verantwortlich ist. Sie wollten sehen, ob dieser Bereich zwei verschiedene Arten von Informationen gleichzeitig speichern kann: die Richtung, in die eine Person ihre Hand bewegt, und die spezifische Regel oder den „Kontext“, der bestimmt, wie diese Bewegung in ein visuelles Ergebnis übersetzt wird. In einem kontrollierten Experiment saßen die Teilnehmer in einem Magnetresonanztomographen, einer Maschine, die detaillierte Bilder der Gehirnaktivität erstellt. Währenddessen lernten sie, einen Computerkursor auf einem Bildschirm allein durch ihr Handgelenk zu steuern. Die Herausforderung bestand darin, dass die Verbindung zwischen ihrem Handgelenk und dem Cursor nicht immer geradlinig war. In einem Satz von Versuchen bewegte sich der Cursor in einer Weise, die relativ zu ihrer Hand rotiert war; in einem anderen bewegte er sich so, als wäre er gespiegelt worden, wie ein Spiegelbild. Die Teilnehmer mussten diese zwei unterschiedlichen Regeln lernen und zwischen ihnen wechseln, während die Forscher beobachteten, was in ihrem Gehirn geschah.

Die Wissenschaftler analysierten die Muster der Gehirnaktivität, um zu sehen, ob sie den Unterschied feststellen konnten, ob eine Person lediglich ihr Handgelenk in eine bestimmte Richtung bewegte oder ob eine Person ihr Handgelenk bewegte, während sie einer spezifischen Regel folgte. Sie fanden heraus, dass das Gehirn diese beiden Dinge nicht als dasselbe behandelte. Im primären motorischen Kortex, einem Bereich, der für das Senden direkter Signale an die Muskeln bekannt ist, änderten sich die Aktivitätsmuster je nach Bewegungsrichtung des Handgelenks, blieben jedoch gleich, unabhängig davon, welcher Regel die Person folgte. Dies deutet darauf hin, dass dieser Teil des Gehirns auf die physische Mechanik der Bewegung selbst fokussiert ist. In einem anderen Bereich jedoch zeichnete sich ein anderes Bild ab: dem dorsalen prämotorischen Kortex, einer Region, die sich direkt vor dem primären motorischen Bereich befindet. Hier änderten sich die Muster der Gehirnaktivität nicht nur mit der Richtung der Bewegung, sondern auch mit der spezifischen Regel, die angewendet wurde. Die Neuronen in diesem Bereich schienen eine duale Botschaft zu tragen: Sie wussten, wohin die Hand geht, und sie kannten auch den abstrakten Kontext der Aufgabe.

Die Studie ging noch weiter, um zu sehen, ob dieses abstrakte Verständnis für die Leistungsfähigkeit der Menschen von Bedeutung war. Die Forscher entdeckten, dass Personen, die stärkere Aktivitätsmuster für den Transformationskontext in ihrem prämotorischen Kortex zeigten, diejenigen waren, die die Aufgabe besser bewältigten. Mit anderen Worten: Die Menschen, deren Gehirne besser darin waren, zwischen den verschiedenen Regeln zu unterscheiden, waren diejenigen, die ihre Bewegungen effektiver anpassen konnten. Dieser Befund legt nahe, dass der prämotorische Kortex als Brücke zwischen der Idee dessen, was getan werden muss, und dem eigentlichen Befehl zur Bewegung der Muskeln fungiert. Er gibt nicht nur Befehle aus, damit bestimmte Muskeln feuern; er hält eine flexible Repräsentation der Situation bereit, die es dem Gehirn ermöglicht, die richtige Strategie anzuwenden, wenn sich die Regeln des Spiels ändern. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass unsere Fähigkeit zu lernen und sich anzupassen in einem neuronalen System verwurzelt ist, das in der Lage ist, das Ziel und den Kontext von den spezifischen physischen Bewegungen zu trennen, die erforderlich sind, um dieses Ziel zu erreichen.