Vom Sehen zum Greifen

Göttinger Wissenschaftler untersuchen die Hirnaktivität bei Handbewegungen

Forschen mit Affen: Neurobiologe Dr. Stefan Schaffelhofer (von links) mit Prof. Dr. med. Hansjoerg Scherberger, Leiter der DPZ-Abteilung Neurobiologie, und Andres Agudelo-Toro. Foto: Tilch/dpz/nh

Göttingen. Schnürsenkel binden, Kaffee umrühren, Briefe schreiben oder Klavier spielen. Unsere Hände benutzen wir ständig: für einfache und alltägliche ebenso wie für anspruchsvolle Tätigkeiten.

Durch die ausgeprägte Feinmotorik sind wir in der Lage, Greifbewegungen mit unterschiedlicher Präzision und Kraft anzuwenden. Diese Fähigkeit ist ein grundlegendes Merkmal der Primatenhand. Wie genau Handbewegungen im Gehirn geplant werden, haben Stefan Schaffelhofer, Andres Agudelo-Toro und Hansjörg Scherberger vom Deutschen Primatenzentrum (DPZ) in Göttingen untersucht.

Gehirn steuert die Hand

„Wir wollten herausfinden, wie verschiedene Handbewegungen vom Gehirn gesteuert werden und ob wir die Aktivität von Nervenzellen nutzen können, um unterschiedliche Grifftypen vorherzusagen“, sagt Neurowissenschaftler Stefan Schaffelhofer.

Während seiner Doktorarbeit stellte Schaffelhofer fest, dass visuelle Informationen für greifbare Objekte – speziell deren dreidimensionale Form und Größe – vornehmlich in der Region AIP (siehe Bild) verarbeitet werden. Die Übertragung der visuellen Eigenschaften eines Gegenstandes in Bewegungsbefehle wird dagegen überwiegend in den Arealen F5 und M1 gesteuert.

Für ihre Untersuchung haben die Forscher Rhesusaffen darauf trainiert, 50 Objekte unterschiedlicher Form und Größe wiederholt zu greifen. Alle Finger- und Handbewegungen der Affen wurden dabei mit Hilfe eines elektromagnetischen Datenhandschuhs aufgezeichnet.

„Wir haben alle Objekte vor Beginn einer Greifbewegung beleuchtet, so dass die Affen sie sehen und deren Form erkennen konnten“, erklärt Schaffelhofer. Die anschließende Greifbewegung fand mit kurzer Verzögerung im Dunkeln statt. „So konnten wir die Reaktionen der Nervenzellen auf die visuellen Reize von den rein motorischen Signalen trennen und außerdem die Phase der Bewegungsplanung untersuchen.“

Es stellte sich heraus, dass die Aktivität der gemessenen Gehirnzellen stark vom angewandten Griff abhängig ist. „Anhand dieser neuronalen Unterschiede können wir berechnen, welche Handbewegung das Tier ausführt“, sagt Schaffelhofer. Die so entschlüsselten Handkonfigurationen übertrugen die Forscher anschließend auf eine Roboterhand und hoffen nun, das ihre Erkenntnisse künftig einmal gelähmten Patienten helfen können.

„Die Ergebnisse unserer Studie sind sehr wichtig für die Entwicklung von neuronal gesteuerten Handprothesen. Sie zeigen wo und vor allem wie das Gehirn Greifbewegungen steuert“, fasst Schaffelhofer zusammen. Das Verfahren der DPZ-Forscher ermöglicht eine Vorhersage der Grifftypen bereits in der Planungsphase der Bewegung. „In Zukunft könnten damit neuronale Schnittstellen generiert werden, die diese motorischen Signale auslesen, interpretieren und Prothesen steuern können.“

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