Wie unser Gehirn Handbewegungen steuert

Göttingen – Das Fangen eines Balles, einen Stift präzise zwischen Daumen und Zeigefin­ger über das Papier zu dirigieren oder eine Türklinke zu bedienen: Wie das menschliche Gehirn diese unterschiedlichen Handgriffe steuert, haben die Neuro­wissenschaftler Ste­fan Schaffelhofer und Hansjörg Scherberger vom Deutschen Primatenzentrum – Leibniz-Institut für Primatenforschung untersucht. Ihre Arbeit ist in der Fachzeitschrift eLife er­schie­­nen (2016; doi: 10.7554/eLife.15278) und soll dazu beitragen, effektivere Neuro­pro­thesen zu entwickeln. Diese sollen gelähmten Patienten künftig helfen, ihre Hand­funk­tionen wiederzuerlangen.

In Studien mit Rhesusaffen haben die Wissenschaftler ermittelt, dass drei Hirnareale na­mens „AIP“, „F5“ und „M1“ für Planung und Ausführung von Handbewegungen ver­ant­wort­­lich sind und dabei unterschiedliche Aufgaben im neuronalen Netzwerk erfüllen.

Die drei Hirnareale AIP, F5 und M1 liegen in der Großhirnrinde und bilden zusammen ein neuronales Netzwerk, das die Übertragung visueller Eigenschaften eines Gegenstandes in entsprechende Bewegungsbefehle steuert. Wie diese „visuo­motorische Transforma­ti­on“ im Detail abläuft, war laut der Arbeitsgruppe bislang unklar.

Dafür wurden zwei Rhesusaffen darauf trainiert, 50 unterschiedliche Objekte wiederholt zu greifen. Gleichzeitig wurde die Aktivität ihrer Nervenzellen in den drei wichtigen Hirn­are­alen mit sogenannten Mikroelektrodenarrays gemessen. Um die angewandten Griff­typen mit den neuronalen Signalen vergleichen zu können, trugen die Affen einen elek­tro­magnetischen Datenhandschuh, der alle Finger- und Handbewegungen aufzeichnete.

Die Forscher beleuchteten dabei das Objekt vor Beginn der Greifbewegung kurz, so dass der Rhesusaffe es sehen konnte. Die anschließende Greifbewegung fand mit kur­zer zeitlicher Verzögerung im Dunkeln statt. So konnten die Wissenschaftler die Reak­tionen der Nervenzellen auf die visuellen Reize von den rein motorischen Signalen ge­trennt untersuchen.

Die Ergebnisse zeigten, dass das Areal AIP hauptsächlich die Verarbeitung visueller Ob­jekteigenschaften übernimmt. „Die Nervenzellen reagierten vor allem auf die drei­di­men­sio­nale Form der verschiedenen Objekte“, erläutert Schaffelhofer. Durch die unter­schied­liche Aktivität der Nervenzellen konnten die Wissenschaftler sehr präzise unter­schei­den, ob die Affen eine Kugel, einen Quader oder einen Zylinder gesehen hatten. Sogar abstrakte Objektformen konnten sie anhand der Zellaktivität identifizieren.

Im Gegensatz zu AIP wurden in den Arealen F5 und M1 nicht die Objektgeometrien, son­dern die entsprechenden Griffe abgebildet, die verwendet wurden, um die Objekte zu grei­fen. Die Informationen der Neurone zeigten hierbei große Ähnlichkeit mit den mittels Datenhandschuh aufgezeichneten Handbewegungen. „Mit unserer Studie konnten wir zeigen, wo und wie visuelle Eigenschaften von Objekten in entsprechende Bewegungs­befehle umgewandelt werden, um diese präzise zu greifen“, so Schaffelhofer.

Bei querschnittsgelähmten Patienten funktioniert die Verbindung zwischen Gehirn und Gliedmaßen bekanntlich nicht mehr. Diese Aufgabe könnten künftig sogenannte neuro­nale Schnittstellen übernehmen. „Sie können die motorischen Signale im Gehirn ausle­sen und damit die Prothesen steuern. Es ist deshalb von entscheidender Bedeutung zu wissen, wie und wo unser Gehirn Greifbewegungen steuert, um diese Schnittstellen rich­tig programmieren zu können“, erläuterte Hansjörg Scherberger, Leiter der Abteilung Neurobiologie am DPZ.

hil