Sensomotorische Fertigkeiten
Die von uns im sensomotorischen Bereich untersuchten Fertigkeiten variieren stark in ihrer Komplexität. Um die EESR-Theorie möglichst direkt zu überprüfen, haben wir ein Paradigma für Menschen entwickelt, das dem Greifverhalten mit einer Pfote bei Nagern nahekommt (Hille et al., 2024). Um plastische Veränderungen in komplexeren Kontexten zu untersuchen, haben wir zwei Sportarten ausgewählt, Abfahrtski und Kampfsport.
Plastizität des Greifverhaltens bei Menschen und Nagern
Diese Forschungsrichtung zielt auf Grundlage der EESR-Theorie darauf ab, die Interpretierbarkeit makroskopischer Methoden zu verbessern, die bei der Forschung mit Menschen angewandt werden. Dies soll erreicht werden, indem bei Tieren eingesetzte molekulare und feinstrukturelle Messungen mit auch bei Menschen verwandten makroskopischen Methoden kombiniert werden, um makroskopische Metriken zu kreieren, die beiden untersuchten Spezies gemeinsam sind (siehe Abbildung 1). Dies erfordert ein explizites Bemühen, experimentelle Paradigmen und vergleichbare Verhaltensaufgaben zu entwickeln, die im Tiermodell und beim Menschen gleichermaßen in der Lage sind, strukturelle Plastizität des Gehirns auszulösen (Hille et al., 2024). Zu diesem Zweck nutzen wir menschliche Analogaufgaben gut untersuchter Tiermodelle. Dies gelingt am ehesten, wenn der erfahrungsabhängige Erwerb von Fertigkeiten betrachtet wird, die einander möglichst ähnlich und für beide Spezies bedeutsam sind. Beispiele sind das Greifen von Nahrung, das Einprägen von episodischen Gedächtnisinhalten, die Navigation neuer Räume und verschiedene Formen des perzeptuellen Lernens. In Anbetracht dieser Überlegungen führen wir in Kooperation mit anderen Gruppen eine Serie von Studien durch, in denen sowohl Mäuse als auch Menschen eine feinmotorische Fertigkeit erlernen (Dissertation Maike Hille).
Über einige Tage hinweg werden Mäuse trainiert, eine Greifaufgabe auszuführen, bei der sie lernen, mit ihrer bevorzugten Pfote ein kleines Stück Nahrung durch einen engen Schlitz in einer Acrylglaswand zu greifen. Bei der entsprechenden menschlichen Aufgabe trainieren die Probanden täglich eine entsprechende Greifaufgabe mit Stäbchen (siehe Abbildung 2). Somit lernen sowohl Mäuse als auch Menschen, nach einem kleinen Nahrungsobjekt zu greifen, das dann über eine kurze Strecke transportiert wird. Wir erwarten, dass das Üben solcher sich entsprechenden motorischen Aufgaben zu analogen Lernkurven führen und bei beiden Spezies ähnliche, Plastizität im motorischen Kortex auslösende Mechanismen induzieren werden. Sowohl bei den Menschen als auch den Mäusen werden wiederholt strukturelle Magnetresonanztomografiemessungen (sMRT) durchgeführt, um makroskopische anatomische Veränderungen (z.B. Steigerung des Volumens der grauen Substanz) zu verschiedenen Zeitpunkten im Laufe des Trainings zu erfassen. Bei Mäusen werden zusätzlich verschiedene zelluläre Indizes wie die Anzahl und Morphologie der dendritischen Dornen, Anzahl und Morphologie der Astrozyten, Länge der Myelinscheiden und Durchmesser und Dichte von Blutgefäßen erhoben und quantifiziert. Weiterhin werden die motorischen Kortizes der Mäuse post-mortem histologisch untersucht. Die Beurteilung plastizitäts-assoziierter Veränderungen auf makro- und mikroskopischer Ebene bei denselben Tieren wird uns ermöglichen, diese Messwerte und ihre Variation über die Zeit in direkten Zusammenhang miteinander zu setzen.
Diese Forschungslinie wird in enger Zusammenarbeit mit dem MPI für Biologische Intelligenz in Martinsried (Tobias Bonhoeffer), der University of Gothenburg (Martin Lövdén), und der Technischen Universität München (Franz Schilling) ausgeführt. Die Arbeit mit Nagern wird in Martinsried und München durchgeführt, während die Arbeit mit Menschen in Berlin und Göteborg erfolgt. In Göteborg wird PET-Bildgebung bei menschlichen Probanden angewandt, um festzustellen, ob die synaptische Dichte in fertigkeitsrelevanten Hirnarealen während der frühen Phasen des Fertigkeitserwerbs ansteigt.
Erwerb und Ausführung komplexer motorischer Fertigkeiten: Kampfsport
Kampfsport bietet einen geeigneten Rahmen für die Untersuchung von Plastizität im Kontext des Erwerbs einer komplexen sensomotorischen Fertigkeit. Über Disziplinen wie Judo und Ringen hinweg scheinen Athlet*innen mit hoher Expertise individualisierte und konsistente Muster technisch-taktischer Handlungsmuster zu entwickeln, die als Kampfstile bezeichnet werden können. Diese Muster spiegeln sowohl Anpassungen an idiosynkratische biomechanische Eigenschaften als auch eine ausgeprägte Expertise in zielgerichtetem Verhalten wider. Aus Sicht der Affordanztheorie lässt sich das Kampfgeschehen als eine Wahrnehmungs-Handlungs-Schleife begreifen, bei der die Athlet*innen auf der Grundlage ihrer eigenen physischen Gegebenheiten sowie der ihres Gegners kurzfristig geeignete Handlungsoptionen auswählen und durchführen müssen. Wir untersuchen die Dynamik der Kampfsituation als Funktion von Handlungsplanung, Körperrepräsentation und Entscheidungsfindung (Dissertation Phuc Thu Uyen Nguyen). Auf der Basis von Modellen des Erwerbs motorischer Fertigkeiten und der EESR-Theorie untersuchen wir, wie sich kognitive und behaviorale Anpassungen über Lernstufen entwickeln und wie diese Veränderungen durch neuronale Plastizität unterstützt werden. Diese Arbeit wird in Zusammenarbeit mit Klaus Gramann (Technische Universität Berlin) und Patrick Haggard (University College London) durchgeführt.
Erwerb und Ausführung komplexer motorischer Fertigkeiten: Abfahrtski
Wenn Abfahrtskiläufer*innen sich auf schwierigem Terrain (z.B. einer Buckelpiste) befinden, müssen sie ihre Verhaltensplanung und -ausführung ständig überprüfen und ggf. anpassen. Aufmerksamkeit für die Planung wird gebraucht, um den Weg durchs Gelände auszuwählen und die nächsten Kurven zu planen; Aufmerksamkeit für die Ausführung wird gebraucht, um das Gleichgewicht in Anbetracht von Unsicherheiten in der Geländebeschaffenheit zu wahren. Deshalb erfasst das Skilaufen auf Buckelpisten essenzielle Aspekte zielorientierten Verhaltens in einer Form, die der systematischen Beobachtung besonders zugänglich ist. Wir gehen davon aus, dass insbesondere Augenbewegungen Aufschluss über die Allokation und Koordination von Aufmerksamkeitsressourcen erlauben. Zugleich erfassen wir Körperhaltung, Kraftdynamiken sowie die Eigenschaften des Terrains. Wir erproben zurzeit unsere Ausrüstung, die über das Skifahren hinaus die Erfassung der Handlungssteuerung in naturalistischen Umgebungen erlauben sollte. Diese Arbeiten werden zusammen mit Petr Janata (University of California at Davis) ausgeführt.