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Gesundheit+Medizin

Wie unser Gehirn Bewegungen verfolgt

Bewegung
Ob wir selbst uns bewegen oder ob wir einen anderen dabei beobachten – beides löst im Gehirn ähnliche Reaktionen aus. (Bild: UCLA/ Suthana lab)

Wenn wir uns fortbewegen, entsteht in unserem Gehirn eine Karte der Umgebung, in der Hindernisse und Grenzen verzeichnet sind. Gleichzeitig müssen wir in der Lage sein, auch die Bewegungen anderer Personen in unserer Nähe zu registrieren und kognitiv zu verarbeiten. Doch wie werden diese Signale codiert? Forscher haben nun gezeigt, dass im mittleren Temporallappen, dem Navigationssystem des Gehirns, spezifische Aktivitätsmuster auftreten, wenn wir uns Wänden nähern. Erstaunlicherweise entsteht die gleiche Aktivität, wenn wir eine andere Person bei ihrer Erkundung des Raums beobachten. Der Mechanismus könnte dabei helfen, unsere eigene Umgebung sowie die Bewegungen anderer Personen einzuschätzen.

Wollten Forscher bisher untersuchen, wie sich unser Gehirn bei Bewegungs- und Navigationsaufgaben verhält, standen sie vor einem Problem: Die meisten Techniken, mit denen sich die Hirnaktivität beobachten lässt, funktionieren nur, wenn der Proband dabei in einer Röhre liegt oder zumindest seinen Kopf während der Hirnstrommessung stillhält. Echte Bewegungen waren also nicht möglich, als Behelf diente virtuelle Realität. Diese Studien sowie Untersuchungen an Nagetieren deuten darauf hin, dass der mittlere Temporallappen im Gehirn eine wichtige Rolle bei der Navigation spielt. „Aber das weiter zu testen, war technisch schwierig“, sagt Matthias Stangl von der University of California Los Angeles.

Neue Technik zur mobilen Hirnstrommessung

Stangl und seine Kollegen haben das Problem deshalb auf neue Weise gelöst. Als Probanden rekrutierten sie Menschen, die aufgrund von nicht medikamentös behandelbaren epileptischen Anfällen Elektroden ins Gehirn implantiert bekommen hatten. Diese messen die Hirnaktivität und geben im Bedarfsfall Impulse ab, die einen Krampfanfall verhindern. Stangl und Kollegen entwickelten ein Gerät, das die Daten dieser Elektroden empfängt und das die Probanden als Rucksack mit sich tragen können.

„Der Rucksack ermöglicht uns zu beobachten, wie das Gehirn bei natürlichen Bewegungen funktioniert“, erklärt Stangls Kollege Uros Topalovic. Nanthia Suthana, die die Forschungsgruppe leitet, ergänzt: „Wir konnten zum ersten Mal direkt untersuchen, wie das Gehirn einer Person durch einen tatsächlichen physischen Raum navigiert, der mit anderen geteilt wird. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass unsere Gehirne einen gemeinsamen Code verwenden, um zu wissen, wo wir und andere sich in sozialen Umgebungen befinden.“

Hirnströme zeigen räumliche Grenzen

In ihrem Experiment baten die Forscher ihre Probanden zunächst, durch einen Raum zu gehen, während der Rucksack ihre Hirnströme empfing und ein am Kopf angebrachtes Gerät die Augenbewegungen verfolgte. Dabei zeigte sich: Immer wenn sich die Probanden einer Wand näherten, verstärkten sich bestimmte Hirnströme, sogenannte Theta-Wellen, im Temporallappen der Probanden. Per Lautsprecher erhielten die Probanden nun Anweisungen, sich zu einem gut sichtbar an der Wand angebrachten Schild zu begeben oder ein verstecktes Ziel auf dem Boden des Raumes zu suchen. Auch die zielgerichtete Bewegung spiegelte sich in einer spezifischen Theta-Aktivität.

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Damit bestätigt das Experiment Hinweise aus früheren Studien an Nagern sowie an Menschen in virtueller Realität. Auch darin hatte sich bereits angedeutet, dass das Gehirn eine mentale Karte erstellt, in der Wände oder andere Grenzen andere Aktivitätsmuster auslösen als freie Flächen. „Diese Ergebnisse unterstützen die Idee, dass unter bestimmten mentalen Zuständen Theta-Rhythmen dem Gehirn helfen können zu wissen, wo sich Grenzen befinden. In diesem Fall sind wir fokussiert und suchen nach etwas“, so Stangl. Anhand weiterer Analysen konnten die Forscher ausschließen, dass andere Faktoren wie Augen- oder Kopfbewegungen das Ergebnis verzerrt hatten.

Gleiches Aktivitätsmuster für eigene und fremde Bewegungen

Zur Überraschung der Forscher zeigte sich das gleiche Aktivitätsmuster, wenn sich der Proband nicht selbst durch den Raum bewegte, sondern einen Experimentator dabei beobachtete. Der Proband saß währenddessen in einer Ecke des Raumes. Als Motivation, die Bewegungen aufmerksam zu verfolgen, sollte er einen Knopf drücken, sobald der Experimentator das versteckte Ziel – das dem Probanden nun bekannt war – erreichte. „Unsere Ergebnisse unterstützen die Idee, dass unsere Gehirne eine universelle Signatur nutzen, damit wir uns in die Situation anderer hineinversetzen können“, sagt Suthana.

Diese Fähigkeit ist im Alltag regelmäßig von Bedeutung. „Alltägliche Aktivitäten erfordern ständig von uns, im Verhältnis zu anderen Menschen am gleichen Ort zu navigieren“, erklärt Suthana. „Sei es, dass wir die kürzeste Schlange beim Security Check am Flughafen wählen wollen, auf einem überfüllten Parkplatz einen Ort suchen, um unser Auto abzustellen, oder dass wir auf der Tanzfläche nicht mit anderen Personen zusammenstoßen wollen.“ Solche komplexeren sozialen Situationen wollen die Forscher in zukünftigen Studien untersuchen. Ihre neue Technik stellen sie zudem anderen Forschungsgruppen zur Verfügung, um weitere Fortschritte bei der Erforschung des menschlichen Gehirns zu ermöglichen.

Quelle: Matthias Stangl (University of California Los Angeles) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-020-03073-y

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