Visuomotorische Transformation: Vom Sehen zum Greifen

Wie unser Gehirn Handgriffe steuert, haben die Neurowissenschaftler Stefan Schaffelhofer und Hansjörg Scherberger vom Deutschen Primatenzentrum – Leibniz-Institut für Primatenforschung untersucht. In Studien mit Rhesusaffen haben sie herausgefunden, dass die drei Hirnareale AIP, F5 und M1, die für Planung und Ausführung von Handbewegungen verantwortlich sind, unterschiedliche Aufgaben im neuronalen Netzwerk erfüllen. Die Region AIP verarbeitet hauptsächlich visuelle Eigenschaften von Objekten, wie deren Größe und Form. Diese optischen Informationen werden im Bereich F5 in motorische Befehle umgewandelt. Das Areal M1 ist schließlich für die Ausführung der Greifbewegung verantwortlich. Die Ergebnisse der Studie tragen zur Entwicklung von Neuroprothesen bei, die künftig gelähmten Patienten helfen sollen, ihre Handfunktionen wiederzuerlangen (eLife, 2016).

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 bislang unklar. Der Neurowissenschaftler Stefan Schaffelhofer hat sich während seiner Doktorarbeit am Deutschen Primatenzentrum (DPZ) intensiv mit den neuronalen Mechanismen beschäftigt, die der Steuerung von Greifbewegungen zugrunde liegen. „Wir wollten herausfinden wie und wo visuelle Informationen über greifbare Objekte, wie deren Form oder Größe, und die motorischen Eigenschaften der Hand, wie Stärke und Art des Griffes, in den einzelnen Hirnbereichen verarbeitet werden“, sagt Schaffelhofer.

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. Der Versuchsaufbau wurde dabei so konzipiert, dass die Phasen der visuomotorischen Transformation im Gehirn, nämlich die Verarbeitung der visuellen Objekteigenschaften, die Bewegungsplanung und die Ausführung, einzeln betrachtet werden konnten. Dazu entwickelten die Wissenschaftler eine formalisierte Greifaufgabe. Ein Objekt wurde vor Beginn der Greifbewegung kurz beleuchtet, so dass der Rhesusaffe es sehen konnte. Die anschließende Greifbewegung fand mit kurzer zeitlicher Verzögerung im Dunkeln statt. So konnten die Reaktionen der Nervenzellen auf die visuellen Reize von den rein motorischen Signalen getrennt untersucht werden.

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“, sagt Stefan Schaffelhofer. „Durch die unterschiedliche Aktivität der Nervenzellen konnten wir sehr präzise unterscheiden, ob die Affen eine Kugel, einen Quader oder einen Zylinder gesehen hatten. Sogar abstrakte Objektformen konnten anhand der Zellaktivität identifiziert werden“.

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 Information 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“, sagt Stefan Schaffelhofer. „Das Areal F5 ist dabei ein zentraler Ankerpunkt für die visuomotorische Transformation. Die Nervenzellen erhalten von AIP direkte visuelle Objektinformationen und können diese Signale damit in Bewegungspläne übersetzen, die schließlich mit M1 ausgeführt werden. Das Areal F5 hat somit Kontakt zur visuellen und zur motorischen Welt.“

Das Wissen um die Steuerung von Greifbewegungen ist essentiell für die Entwicklung neuronaler Handprothesen. „Bei querschnittsgelähmten Patienten funktioniert die Verbindung zwischen Gehirn und Gliedmaßen nicht mehr. Diese Aufgabe können neuronale Schnittstellen übernehmen“, sagt Hansjörg Scherberger, Leiter der Abteilung Neurobiologie am DPZ. „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“. Die gewonnenen Erkenntnisse der Studie werden in Zukunft genutzt, um Prothesen gezielt und genauer mit den unterschiedlichen Informationen aus den jeweiligen Gehirnarealen zu steuern.

Schaffelhofer, S., Scherberger, H. (2016): Object vision to hand action in macaque parietal, motor and premotor cortices. eLife, DOI: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.15278

Quelle:
Deutsches Primatenzentrum GmbH – Leibniz-Institut für Primatenforschung