Das Gehirn verteilt Signale vor realer und imaginärer Bewegung unterschiedlich: Studie

Wissenschaftler haben herausgefunden, wie sich die Aktivität unseres Gehirns während einer imaginären Bewegung von der während einer realen Aktion unterscheidet. Es stellt sich heraus, dass in beiden Fällen ein vorheriges Signal in der Großhirnrinde auftritt, bei einer imaginären Bewegung jedoch keine eindeutige Verbindung zu einer bestimmten Hemisphäre besteht.

Die gewonnenen Daten können möglicherweise in der medizinischen Praxis verwendet werden, um Neurotrainer zu entwickeln und die Wiederherstellung neuronaler Netze bei Patienten nach einem Schlaganfall zu steuern. Die Ergebnisse der Studie werden in der Fachzeitschrift veröffentlicht Zerebraler Kortex.

Bevor wir einen Stift in die Hand nehmen oder eine Tasse abstellen, entsteht im Gehirn ein vollständiges Bild dieser Aktion. Solche visuell-motorischen Transformationen sorgen für die Genauigkeit unserer Bewegungen. Das Wissen um diese Mechanismen hilft Patienten, die motorische Aktivität nach einem Schlaganfall wiederherzustellen. Aber wir beenden die Bewegung, die wir begonnen haben, nicht immer. In diesem Fall gelangen visuelle Informationen in die für die Bewegung verantwortlichen motorischen Bereiche des Kortex, der Beginn der Reaktion wird jedoch irgendwann blockiert und die mentale Anstrengung endet nicht mit einer echten Muskelaktivierung.

Es ist immer noch nicht bekannt, wie sich die Gehirnaktivität vor einer expliziten Bewegung von der Aktivität vor einer imaginären Aktion unterscheidet. Genau das wollten die Forscher herausfinden, denn das Verständnis unserer Bewegung auf Gehirnebene wird die Technik der motorischen Rehabilitation nach einem Schlaganfall verbessern.

Wissenschaftler des Skoltech und der Moskauer Staatlichen Universität verglichen visuell-motorische Transformationen bei realen und imaginären Bewegungen. Zu diesem Zweck führten die Autoren ein Experiment mit 17 Freiwilligen mit einem Durchschnittsalter von 23 Jahren durch.

Die Probanden legten ihre Hände auf ein Panel mit zwei Knöpfen, die periodisch beleuchtet wurden, während die Teilnehmer nur einem der beiden Knöpfe folgen mussten. Sobald der Knopf aufleuchtete, mussten die Schauspieler ihn drücken oder sich vorstellen, wie sie es taten, je nach Wunsch der Wissenschaftler. Während des Experiments zeichneten die Forscher das Elektroenzephalogramm der Freiwilligen auf. Anschließend werteten die Neurowissenschaftler die Signale der kortikalen Regionen aus, die mit der Bewegungsvorbereitung und dem Auftreten von Sinneseindrücken in den Händen während der Bewegung verbunden sind.

Bei imaginären und realen Bewegungen verursachte das Leuchten des Knopfes die Aktivität des sensomotorischen Kortex, aber nur bei realen Bewegungen wurde diese Aktivität hauptsächlich in einer Hemisphäre beobachtet. Die Autoren argumentieren, dass ein Signal, das vor Beginn einer Bewegung im Gehirn auftritt (das sogenannte Vorsignal), die Umwandlung visueller Reize in Bewegung anzeigt.

Das vorhergehende Signal erwies sich als das stärkste über den frontal-zentralen Regionen in der Hemisphäre gegenüber dem aktiven Glied. Das heißt, wenn eine Person mit der rechten Hand den Knopf drückte, wurde die linke Hemisphäre aktiviert und umgekehrt. Gleichzeitig verlängerte sich die Dauer des vorangegangenen Signals, wenn die Person langsamer auf das Licht der Taste reagierte und diese verzögert drückte.

Das vorangehende Signal, das mit der imaginären Bewegung verbunden war, war nicht mit einer bestimmten Gehirnhälfte verbunden. Vor der Bewegung sammelte sich in verschiedenen Bereichen des sensomotorischen Kortex Erregung an, was darauf hindeutet, dass die Bildung eines mentalen Bildes in der Vorstellung und in der realen Handlung auf unterschiedliche Weise erfolgt.

Die Autoren überprüften auch, ob im Gehirn der Freiwilligen Signale auftraten, wenn ein Knopf beleuchtet wurde, auf den die Teilnehmer ihre Aufmerksamkeit nicht richteten. Es stellte sich heraus, dass die Probanden als Reaktion auf nicht gezielte Reize auch ein vorangehendes Signal hatten, allerdings war dieses viel schwächer als das Ziel und hatte eine kürzere Dauer.

Das Vorhandensein eines solchen Nichtzielsignals weist darauf hin, dass bei der Entscheidungsfindung im Gehirn zunächst visuelle Informationen ausgewertet werden und dann eine Entscheidung zur Bewegungsblockierung getroffen wird. Gleichzeitig weisen Nichtzielsignale auch darauf hin, dass die motorischen Bereiche des Kortex während der Reizauswertung nicht inaktiv bleiben und nur das Vorhandensein eines vorherigen Signals nicht zwangsläufig zu einer sofortigen motorischen Reaktion führt.

„Ein Schlaganfall führt zu einer Störung des Gleichgewichts zwischen Hemmung und Erregung in der Großhirnrinde sowie zu einer Störung der interhemisphärischen Interaktionen und der Interaktionen der motorischen Kortikalis mit visuellen Bereichen.“

„Wir schlagen vor, bewegungsbezogene kortikale Signale zu verwenden, um den Zustand von Gehirnnetzwerken zu beurteilen, die für die Umwandlung visueller Signale in Aktionen bei Schlaganfallpatienten verantwortlich sind. Sie können auch verwendet werden, um zu analysieren, wie erfolgreich die Rehabilitation ist. Dieser Ansatz wird sehr empfindlich sein, da er dies ermöglicht.“ „Aufzeichnung von Verbesserungen im Zustand der motorischen Systeme des Gehirns, noch bevor sie sich in den Bewegungen manifestieren“, sagte Nikolay Syrov, leitender Forschungswissenschaftler bei Skoltech und einer der Teilnehmer des Projekts.