Tracking the hidden dynamics of proprioception

Jedes Mal, wenn Sie nach einer Tasse greifen, einen Knopf schließen oder einen Schritt machen, löst Ihr Gehirn eine stille, dringende Frage: Wo befindet sich mein Körper gerade? Es muss nicht nach unten schauen, um zu wissen, ob Ihr Arm erhoben ist oder ob Ihr Fuß auf festem Boden gelandet ist. Dieser interne Sinn, bekannt als Propriozeption, fungiert als ständiger, leiser Bericht Ihrer Muskeln und Gelenke, der Ihrem Nervensystem die Position Ihrer Gliedmaßen und deren Bewegung mitteilt. Während Wissenschaftler schon lange verstehen, wie wir die statische Position eines Gliedmaßes wahrnehmen, wenn es stillsteht, blieb die Fähigkeit, dieses Gliedmaß zu verfolgen, während es sich durch den Raum bewegt, ein Rätsel. Es ist schwierig zu messen, da die meisten Tests Menschen bitten, aufzuhören sich zu bewegen und zu raten, wo sich ihre Hand befindet – ein Prozess, der das Gefühl der Position mit dem Gedächtnis und der Anstrengung der erneuten Bewegung vermischt. Ohne eine Möglichkeit zu messen, wie das Gehirn Bewegungen in Echtzeit verfolgt, waren Forscher nicht in der Lage, vollständig zu verstehen, wie wir uns während der Bewegung koordiniert halten.

Ein Forschungsteam hat nun eine neue Methode entwickelt, um diesen verborgenen Prozess in Aktion zu beobachten. Sie entwickelten eine Aufgabe, bei der ein Roboterarm eine Person's Hand sanft und unvorhersehbar vor und zurück bewegt, während die Person mit der anderen Hand dieser Bewegung folgt, ohne hinzusehen. Da die bewegte Hand verborgen bleibt, muss sich die Person ganz auf das Gefühl ihres eigenen Körpers verlassen, um Schritt zu halten. Durch die Analyse, wie genau die verfolgende Hand der verborgenen Hand entspricht, fanden die Forscher heraus, dass das Gehen des Gehirns bei der Wahrnehmung von Bewegung bemerkenswert schnell und präzise ist. Tatsächlich, wenn das Gehirn sowohl Sicht als auch Gefühl zur Verfügung hat, vertraut es dem Gefühl der Bewegung weit mehr als den Augen. Die Studie zeigt, dass dieser dynamische Sinn der Bewegung nicht nur eine langsamere Version des Wissens darüber ist, wo ein Gliedmaß in Ruhe ist; es ist eine eigenständige und separate Fähigkeit, die nach ihren eigenen Regeln arbeitet.

Die Forscher begannen damit, ein System zu bauen, um dieses kontinuierliche Verfolgen zu erfassen. Die Teilnehmer saßen in einem dunklen Raum, wobei ihre Hände verborgen waren. Ein Roboter bewegte eine ihrer Hände entlang eines zufälligen Pfades, und der Teilnehmer musste mit der anderen Hand diesem Pfad so genau wie möglich folgen. Um zu messen, wie gut sie dabei waren, betrachtete das Team die zeitliche Abstimmung und die Geschmeidigkeit des Abgleichs zwischen den beiden Händen. Sie fanden heraus, dass Menschen der verborgenen Hand mit überraschender Geschwindigkeit folgen konnten, indem sie in weniger als einem Drittel einer Sekunde reagierten. Diese Reaktionszeit ist schnell genug, um reale Bewegungen zu steuern, was darauf hindeutet, dass das Gehirn seine Karte des Körpers ständig aktualisiert, während es sich bewegt. Der Test erwies sich als zuverlässig; als die Menschen den Test eine Woche später erneut durchführten, war ihre Leistung nahezu identisch, was zeigt, dass die Methode ein stabiles Merkmal dafür erfasst, wie eine Person ihre eigene Bewegung wahrnimmt.

Eine der beeindruckendsten Entdeckungen war, wie dieser Bewegungssinn im Vergleich zur Vision abschneidet. In vielen Situationen nehmen wir an, dass das Sehen der mächtigste Sinn ist, um zu wissen, wo Dinge sind. Doch als die Forscher die Menschen baten, ein bewegtes Objekt mit den Augen zu verfolgen im Vergleich zum Verfolgen der eigenen bewegten Hand, gewann die Hand jedes Mal. Das Gehirn verfolgte die Bewegung der verborgenen Hand schneller und genauer, als es einen visuell sichtbaren Punkt auf einem Bildschirm verfolgte. Selbst wenn der visuelle Punkt sehr deutlich und leicht zu sehen war, bevorzugte das Gehirn immer noch das Gefühl der bewegten Hand. Dies deutet darauf hin, dass für die spezifische Aufgabe der Steuerung einer laufenden Bewegung der interne Sinn des Körpers der primäre Führer ist, während die Sicht eine sekundäre Rolle spielt.

Die Studie untersuchte auch, was passiert, wenn das Gehen des Gehirns widersprüchliche Signale von den Augen und dem Körper erhält. In einem Teil des Experiments bewegte der Roboter die verborgene Hand, aber ein visueller Punkt auf einem Bildschirm zeigte eine leicht andere Position an. Wenn die beiden Signale uneinig waren, bewegte sich die verfolgende Hand der Teilnehmer an einen Punkt zwischen den beiden, blieb jedoch viel näher an der tatsächlichen Position der verborgenen Hand als an dem visuellen Punkt. Dies deutet darauf hin, dass das Gehirn zwar auf die Augen schaut, aber das Gefühl des Körpers bei der Entscheidung, wo sich das Gliedmaß befindet, sehr stark gewichtet. Das Gehirn schenkte dem visuellen Signal nur ein wenig Aufmerksamkeit, und diese Aufmerksamkeit wurde nur dann etwas stärker, wenn das visuelle Signal sehr klar und präzise war. Dieses Verhalten unterstützt die Idee, dass das Gehirn diese Sinne basierend darauf kombiniert, wie zuverlässig sie sich anfühlen, aber im Fall der Bewegung ist das Gefühl des Körpers fast immer die zuverlässigste Quelle.

Vielleicht die überraschendste Erkenntnis war, dass die Fähigkeit, Bewegung zu spüren, nicht dieselbe ist wie die Fähigkeit, eine statische Position zu spüren. Die Forscher testeten dieselben Personen bei zwei verschiedenen Aufgaben: einer, bei der sie eine bewegte Hand verfolgen mussten, und einer anderen, bei der sie die Position einer stillstehenden Hand beurteilen mussten. Sie fanden heraus, dass eine Person, die sehr gut darin war, zu beurteilen, wo ihre Hand war, wenn sie stillstand, nicht zwangsläufig gut darin war, sie während der Bewegung zu verfolgen. Die beiden Fähigkeiten korrelierten nicht; eine Person konnte in der einen exzellent und in der anderen durchschnittlich sein. Dies deutet darauf hin, dass das Gehirn unterschiedliche Mechanismen nutzt, um den Körper zu handhaben, wenn er stillsteht versus wenn er in Bewegung ist. Der Sinn der Bewegung ist eine einzigartige Fähigkeit, die nicht einfach dadurch vorhergesagt werden kann, wie gut jemand weiß, wo sich sein Gliedmaß im Stillstand befindet.

Durch die Kombination dieser neuen Tracking-Aufgabe mit Computermodellen, die simulieren, wie das Gehirn Informationen verarbeitet, konnten die Forscher die reine Wahrnehmung der Bewegung von der physischen Anstrengung des Bewegen der Hand trennen. Die Modelle bestätigten, dass die Schätzung des Gehirns, wo sich das Gliedmaß während der Bewegung befindet, von dem Rauschen und der Anstrengung, die tatsächlich mit der Bewegung der Muskeln verbunden sind, verschieden ist. Diese Trennung ist entscheidend, da sie es Wissenschaftlern ermöglicht, die Qualität des sensorischen Signals selbst zu messen, anstatt nur die endgültige Bewegung. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass das Nervensystem ein spezialisiertes, Hochgeschwindigkeitssystem für das Verfolgen des Körpers in Bewegung besitzt, das unsere anderen Sinne dominiert und unabhängig von unserem statischen Positionsgefühl operiert. Dieses neue Verständnis eröffnet die Tür zu besseren Wegen, die Propriozeption bei Menschen mit neurologischen Erkrankungen zu testen, was potenziell dabei helfen kann, Bewegungsstörungen zu diagnostizieren und zu behandeln, die zuvor schwer messbar waren.