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Gesundheit|Medizin

Wie unser Gehirn Strecken schätzt

EEG-Versuch
Proband mit EEG-Kappe beim Streckenschätz-Versuch. © Rolf Wegst/ CMBB

Wenn wir uns fortbewegen, haben wir ein Gefühl dafür, welche Strecke wir bereits zurückgelegt haben. Das funktioniert auch, wenn die Bewegung lediglich virtuell stattfindet, wir also nur visuelle Hinweise haben. Doch was geschieht dabei in unserem Gehirn? Eine Studie zeigt nun, dass bestimmte langsame Hirnwellen anzeigen, wenn wir eine vorgegebene Distanz erreichen. Diese wurden bereits früher mit räumlicher Wahrnehmung in Verbindung gebracht. Zudem konnte das Forschungsteam bestätigen, dass die Hirnaktivität bei selbst gesteuerten Bewegungen geringer ist als bei beobachteten Bewegungen.

Egal ob wir uns aus eigener Kraft bewegen oder nur die Umgebung an uns vorbeiziehen sehen: Intuitiv haben wir dabei ein Gefühl, welche Strecke wir ungefähr zurückgelegt haben. Verhaltensexperimente haben gezeigt, dass es dazu bereits genügt, wenn wir auf einem Bildschirm sehen, wie sich eine wenig ausgestaltete Bodenplatte bewegt. In entsprechenden Versuchen waren die Testpersonen in der Lage, die beobachtete Distanz aktiv zu reproduzieren, indem sie die Bewegung per Joystick steuerten. Was dabei in ihrem Gehirn vor sich geht, war allerdings bislang unklar.

Auf virtueller Fahrt

Damit hat sich nun ein Team um Constanze Schmitt von der Philipps-Universität Marburg beschäftigt. Dazu zeigten die Forscher 15 Probanden zunächst auf einem Bildschirm, wie sich eine Bodenplatte unter einem in der Bildschirmmitte fixierten Punkt bewegt. Im Anschluss baten sie die Probanden, mit Hilfe eines Joysticks die Bewegung selbst zu steuern und dabei genau das Doppelte der zuvor gesehenen Strecke zurückzulegen. Das Tempo konnten die Personen dabei durch die Neigung des Joysticks selbst bestimmen. Während aller Versuche maßen Schmitt und ihr Team die Hirnaktivität der Testpersonen per Elektroenzephalogramm (EEG).

„Ziel unserer Studie war es, herauszufinden, ob der Zeitpunkt, zu dem die Probanden die erste Hälfte ihrer selbst gesteuerten Fahrt zurückgelegt haben, also die ursprünglich gezeigte Distanz, von spezifischer Gehirnaktivität begleitet wird“, erläutert Schmitt. Dass die Probanden nicht wie in anderen Experimenten genau nach der ursprünglich gezeigten Distanz stoppen mussten, sondern die doppelte Strecke abschätzen sollten, war ein Trick der Forscher: „Auf diese Weise konnten wir die neuronale Signatur bei der einfachen Distanz beobachten, ohne dass die Probanden zur gleichen Zeit die Hand bewegten, um die virtuelle Vorwärtsfahrt zu beenden.“ Eine motorische Aktivität hätte sich ebenfalls im EEG gezeigt und das Signal verfälscht.

Hirnwellen als “Stoppsignal”

Jeder Proband durchlief mehrere Versuche, bei denen die Forscher die Länge der Strecke sowie die gezeigte Bewegungsgeschwindigkeit variierten. Im Einklang mit früheren Studien zeigte sich, dass die Probanden dazu neigten, die gezeigte Strecke zu überschätzen, also bei der Reproduktionsaufgabe etwas zu weit zu fahren – am meisten bei der kürzesten Strecke. Außerdem beobachteten die Forscher, dass fast alle Testpersonen ihre Geschwindigkeit an die zuvor gezeigte anpassten und so eine zeitliche Komponente in ihre Abschätzung miteinbezogen.

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Im EEG zeigte sich, dass bestimmte Signale, die sogenannten ereigniskorrelierten Potenziale, geringer wurden, sobald die Probanden mit der selbstbestimmten virtuellen Bewegung begannen. „Dieser Befund war erwartet“, sagt Schmitt. „Er entspricht der Idee, dass Reize, die man selber erzeugt und damit vorhersagen kann, weniger stark im Gehirn verarbeitet werden als unerwartete Reize.“ Zudem fanden die Forscher tatsächlich eine kurzzeitige Erhöhung der im EEG gemessenen Hirnaktivität, wenn die Probanden die einfache Distanz erreicht hatten. Diese Aktivierung betraf vor allem das Theta-Band, also Hirnwellen mit niedriger Frequenz. Diese treten unter anderem im Schlaf und bei tiefer Entspannung auf, wurden aber auch bereits in früheren Studien mit räumlicher Wahrnehmung in Verbindung gebracht.

Subjektive Schätzung

Die aktuelle Studie legt nahe, dass die Theta-Wellen tatsächlich bei der Abschätzung von Strecken eine Rolle spielen und ein neuronales Korrelat des Erreichens der Zieldistanz darstellen. „Eine weitere Frage war, ob es sich dabei um ein objektives oder subjektives Maß handelt“, erklärt Schmitts Kollege Frank Bremmer. Mit anderen Worten: Tritt die Aktivierung auf, wenn die Probanden die vorgegebene einfache Distanz zurückgelegt haben, oder wenn sie die Hälfte der von ihnen selbst abgeschätzten Strecke erreicht haben?

Die Ergebnisse zeigen, dass die Theta-Wellen-Aktivität mit der subjektiv abgeschätzten Strecke zusammenhängen, nicht mit der objektiv vorgegebenen. „Die gefundene Aktivierung war zeitlich sehr präzise“, so Bremmer. „Allerdings können wir bislang noch nicht sagen, welche Gebiete im Gehirn für sie verantwortlich sind.“ Dieser Frage will das Forschungsteam in zukünftigen Studien nachgehen.

Quelle: Constanze Schmitt (Philipps-Universität Marburg) et al., eNeuro, doi: 10.1523/ENEURO.0137-21.2022

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