Wie das Gehirn die Hände im Alltag steuert

Bislang ist kaum bekannt, wie das Gehirn komplexe Handlungen koordiniert

Menschen sind in der Lage, viele Dinge gleichzeitig zu tun – zum Beispiel ein Auto zu lenken und sich dabei zu unterhalten. Dabei spielen Bewegungen mit den Händen eine große Rolle. Rümeysa Gündüz Can erforscht mit ihren Teamkolleginnen und -kollegen am Exzellenzcluster CITEC, wie solche parallelen Aktivitäten während Bewegungen im Gehirn funktionieren. Dabei geht es im Speziellen um neuro-kognitive Mechanismen bei Handbewegungen. Die Idee dabei ist, in Zukunft mit Hilfe dieser Erkenntnisse einmal bessere Roboter zu entwickeln.
 
Die Teilnehmenden tragen während der Versuche eine Kappe, die in Form eines EEG ihre Hirnströme misst. Foto: CITEC/Universität Bielefeld Eine Tasse Kaffee kochen? Eigentlich ganz einfach: Nach Kaffeepulver und einem Filter greifen, Wasser in die Maschine einfüllen, ein paar Knöpfe drücken, eine Tasse nehmen und den Kaffee eingießen. Das funktioniert so gut, dass man sich währenddessen noch unterhalten oder über etwas nachdenken kann.

Was so einfach wirkt, ist es in Wirklichkeit aber gar nicht. „Bis heute ist nicht bekannt, was genau im Gehirn passiert, wenn Menschen Handlungen mit ihren Händen ausüben und dabei zugleich andere kognitive Prozesse im Gehirn ablaufen“, sagt Rümeysa Gündüz Can. Sie arbeitet in der Forschungsgruppe Neurokognition und Bewegung – Biomechanik, die am CITEC beteiligt ist. 

Handlungen mit den Händen spielen eine wichtige Rolle im Alltag: „Wir greifen nach Türgriffen oder Geschirr und bedienen Computer oder Mobiltelefone“, sagt die Psychologin. „Auch wenn wir uns unterhalten, gestikulieren wir dabei.“ Die Forschenden interessiert vor allem, welche neuro-kognitiven Mechanismen es ermöglichen, solche Bewegungen flexibel an die jeweiligen Bedingungen und die Umgebung anzupassen.

Die Wissenschaftlerin erforscht mit ihren Kolleginnen und Kollegen solche Alltagsprozesse. Dabei geht es immer um die Frage, welche neuro-kognitiven Mechanismen bei diesen Handlungen eine Rolle spielen. Im Mittelpunkt der Untersuchungen steht das Arbeitsgedächtnis, das kurzfristig Informationen über bestimmte Handlungen speichert und abrufbar macht.

„Menschen können ihre Bewegungen an verschiedenste Objekte anpassen, zum Beispiel abhängig davon, ob eine Tasse groß oder klein ist“, sagt Gündüz Can. Zudem ist die Umgebung oft komplex: „Wer ein Auto fährt, der lenkt nicht nur den Wagen, sondern achtet zeitgleich auf Verkehrszeichen, andere Verkehrsteilnehmer oder auf das Navigationssystem.“ Solche komplexen Umgebungen erfordern es, Handlungen flexibel an die jeweilige Situation anzupassen. Die Forschenden wollen herausfinden, welche neuro-kognitiven Mechanismen dabei eine Rolle spielen.

Doch warum ist es eigentlich so wichtig, diese Prozesse im Gehirn besser zu verstehen? „Wir hoffen, dass unsere Ergebnisse in Zukunft dazu beitragen, bessere Roboter zu entwickeln“, sagt die Wissenschaftlerin. Bislang seien Roboter im Gegensatz zu Menschen kaum in der Lage, flexibel auf wechselnde Anforderungen zu reagieren. 

Dabei geht es auch um die Entwicklung von Gehirn-Computer-Schnittstellen. Bislang wird in diesem Projekt reine Grundlagenforschung betrieben – bis die Ergebnisse in die Robotik einfließen, könnte es noch etwas dauern.

Doch wie sieht die Forschung eigentlich aus? Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler arbeiten mit verschiedenen Probanden, die unterschiedliche Aufgaben bekommen. Immer handelt es sich dabei um die Kombination einer kognitiven mit einer motorischen Aufgabe: Die Teilnehmerinnen und Teilnehmer lernen zum Beispiel bestimmte Buchstaben auswendig oder merken sich die Position von Symbolen auf einem Bildschirm, während sie einen Ball nach rechts oder links bewegen.

„Dabei untersuchen wir nicht nur, was im Gehirn passiert, wenn die beiden Aufgaben ausgeübt werden“, sagt die Wissenschaftlerin. „Uns interessiert auch, was geschieht, wenn sich die Anforderungen ändern – also der Ball zum Beispiel plötzlich nicht mehr nach links, sondern nach rechts bewegt werden soll.“

Während dieser Aktivitäten werden die Hirnsignale als EEG aufgezeichnet. Die Forschenden erfassen dabei vor allem die sogenannten ereignisbezogenen Potenziale. Das sind Spannungsschwankungen, die als Reaktion auf kognitive oder motorische Prozesse entstehen.

Drei Studien haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in dem Projekt bereits durchgeführt. Darin konnten sie zeigen, dass es einen Unterschied für das Arbeitsgedächtnis macht, ob es sich um visuelle oder verbale Aufgaben handelt, die während einer Bewegung ausgeführt werden. Sie konnten auch nachweisen, dass die Änderung einer Bewegung das Gehirn auf andere Weise beansprucht als eine weitergeführte Bewegung, da dabei andere neuro-kognitive Prozesse gemessen wurden.
 
Das Projekt gehört zu den „Small, High Risk Projects“ (kleine, „hochriskante“ Projekte) des Exzellenzclusters CITEC. Dabei befassen sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit besonders innovativen und originellen Themen, bei denen der Ausgang der Forschung schwieriger vorherzusagen ist. Daneben gibt es am CITEC noch vier Großforschungsprojekte und acht interdisziplinäre Projekte. Darüber hinaus forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der Graduiertenschule an individuellen Themen. 

Weitere Informationen:
Forschungsgruppe "Neurokognition und Bewegung - Biomechanik": http://www.uni-bielefeld.de/sport/arbeitsbereiche/ab_ii/

Kontakt:
Rümeysa Gündüz Can, Universität Bielefeld
Exzellenzclusters Kognitive Interaktionstechnologie (CITEC)
Forschungsgruppe "Neurokognition und Bewegung - Biomechanik
Telefon: 0521 106-5129
E-Mail: ruemeysa.guenduez@uni-bielefeld.de   

Autorin des Artikels: Maria Berentzen