Das menschliche Gehirn ist ein bemerkenswert anpassungsfähiges Organ. Die Art und Weise, wie wir unsere Hände nutzen, beeinflusst maßgeblich die Repräsentation dieser Körperteile im Gehirn. Diese Repräsentation ist nicht statisch, sondern dynamisch und kann sich je nach Nutzung, Erfahrung und sogar nach Verletzungen verändern.
Die Körperlandkarte im Gehirn: Der Homunkulus
Im menschlichen Gehirn ist der gesamte Körper Punkt für Punkt repräsentiert - wie auf einer Karte. Im somatosensorischen Kortex nimmt das Gehirn die Körperregionen wahr. Diese Repräsentation wird oft als "Homunkulus" bezeichnet, eine verzerrte Darstellung des menschlichen Körpers, bei der die Größe der einzelnen Körperteile der jeweiligen Ausdehnung des dafür zuständigen Hirnareals entspricht. So haben beispielsweise die Hände und das Gesicht, die für feine motorische Fähigkeiten und sensorische Wahrnehmung von entscheidender Bedeutung sind, eine überproportional große Repräsentation im Kortex.
Die Sinneseindrücke von verschiedenen Körperarealen haben im somatosensorischen Cortex festgelegte Verarbeitungsareale, die sich wie eine Karte lesen lassen. Die so genannten somatotopen Karten sind äußerst flexibel und lassen sich verändern, etwa durch regelmäßiges Üben eines Musikinstruments.
Die Größe der Repräsentation eines Körperteils korreliert mit seiner Empfindlichkeit. Je größer ein Körperteil im Gehirn repräsentiert ist, desto empfindlicher ist es auch. Der Grund hierfür: Ist im Gehirn ein großes Rindenareal für ein Körperteil zuständig, können die Reize dieses Gliedes, etwa der feinfühligen Finger, besonders genau registriert werden. Oft werden Körperteile mit einer hohen Rezeptordichte auch in einem großen Rindenareal verarbeitet, während etwa der Bauch, der mit nur wenigen Rezeptoren ausgestattet ist, nur wenig Raum auf der somatotopen Karte einnimmt.
Nutzung und Training verändern die Handrepräsentation
Aus der Untersuchung von Profi-Musikern und erfahrenen Blindenschrift-Lesern ist bekannt, dass häufiger und intensiver Gebrauch der Hände zur Entwicklung außergewöhnlicher sensomotorischer Fähigkeiten führt. Auch die Repräsentation der Hände auf der "Körperlandkarte" im Gehirn vergrößert sich durch das Training. Menschen, die regelmäßig Klavier spielen, haben zum Beispiel größere Hirnareale für die Bewegung der Finger. Blinde, die das Lesen der Brailleschrift beherrschen, indem sie mit ihren Fingerkuppen die verschiedenen Punktkombinationen ertasten, haben einen größeren Finger-Bereich in der sensorischen Rinde.
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Nichtgebrauch führt zu Veränderungen
Allerdings funktioniert dieser Prozess auch umgekehrt, wie die neurowissenschaftliche Bochumer Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Martin Tegenthoff (Neurologische Klinik Bergmannsheil) und PD Dr. Hubert Dinse herausgefunden hat. Um herauszufinden, wie sich ein vorübergehender Nichtgebrauch der Hände auf das Gehirn und die Verhaltensleistungen auswirkt, untersuchten die Forscher eine Reihe von Patienten, die aufgrund eines Unfalls über mehrere Wochen hinweg einen Gips an Arm und Hand tragen mussten und die betroffene Hand im Alltagsgeschehen kaum benutzten.
Die Forscher maßen dann die Auswirkungen der Bewegungseinschränkungen zum einen auf die Organisation der Hand-Repräsentation im Gehirn und zum anderen auf den Tastsinn: Die Versuchspersonen sollten unterschiedlich eng beieinander stehende Nadelspitzen durch Ertasten mit dem Zeigefinger unterscheiden. In Abhängigkeit vom räumlichen Abstand werden beide Spitzen getrennt, oder bei zu geringem Abstand nur noch als eine einzelne Spitze wahrgenommen. Der Abstand, bei dem gerade noch zwei getrennte Spitzen wahrgenommen werden, ist ein Maß für die Güte des Tastsinns.
Durch den Einsatz funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) - ein bildgebendes Verfahren, das das Ausmaß der bei einer Tätigkeit aktiven Hirnbereiche sichtbar macht - konnten sie zeigen, dass eine Stimulation des Zeigefingers der betroffenen Hand eine wesentlich geringere Aktivität im entsprechenden Hirnbereich (somatosensorischer Kortex) auslöste als die Stimulation des Zeigefingers der gesunden Hand. Ebenso war der Tastsinn der betroffenen Hand im Vergleich zur gesunden Hand und zur Leistung gesunder Kontrollpersonen stark beeinträchtigt. Zwei bis drei Wochen nach der Gipsabnahme war von diesen Beeinträchtigungen nichts mehr festzustellen: Die Hirn-Repräsentation der ehemals betroffenen Hand unterschied sich nicht mehr von der gesunden Hand, und der Tastsinn verbesserte sich wieder auf das Niveau der gesunden Hand bzw. der Leistung gesunder Kontrollpersonen.
"Schon wenige Wochen Nichtgebrauch von Hand und Fingern haben also messbare, negative Konsequenzen für Gehirnorganisation und sensomotorische Leitungsfähigkeit des Menschen, die allerdings reversibel sind", sagt Dr. Dinse. "Nicht-Benutzung wird demnach vom Gehirn genauso beantwortet wie intensivere Benutzung. Tut man nichts, passiert im Gehirn nicht nichts, sondern Gehirnfunktionen werden eingeschränkt".
Die Ruhigstellung hatte allerdings nicht nur Auswirkungen auf die grauen Zellen, sondern auch auf die weiße Substanz. Per Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI) beobachteten die Forscher in den kortikospinalen Fasertrakten, die Signale der rechten Hand übertragen, eine Abnahme der fraktionalen Anisotropie. Dagegen nahm die Anisotropie in den jeweiligen Bahnen für die linke Hand zu. Daraus lasse sich ein rascher Umbau des motorischen und somatosensorischen Nervensystems nach einer Immobilisierung ableiten.
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Veränderungen im Alter
Im Alter funktioniert vieles nicht mehr so gut wie in jungen Jahren. Neben der Hör- und Sehkraft nimmt auch die Leistung des Tastsinns ab. Alltägliches wie das Zuknöpfen eines Hemdes entwickeln sich dann zu einer Herausforderung. Die neurowissenschaftliche Bochumer Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Martin Tegenthoff (Neurologische Klinik Bergmannsheil) und PD Dr. Hubert Dinse (Institut für Neuroinformatik) haben nun herausgefunden, dass die Repräsentation der Hand im Gehirn bei älteren Menschen deutlich größer ist als bei jüngeren.
Um die räumliche Ausdehnung dieser Handrepräsentationen messen zu können, stimulierten die Wissenschaftler während einer EEG-Messung die Zeigefinger und kleinen Finger von jungen Probanden zwischen 19 und 35 Jahren und älteren zwischen 60 und 85 Jahren. Durch die Stimulation werden die entsprechenden Fingerrepräsentationen im somatosensorischen Teil des Gehirns aktiviert und können durch eine Lokalisation der Aktivierungsquellen in räumlichen Koordinaten beschrieben werden. Die Distanzen zwischen den für den Zeigefinger und für den kleinen Finger errechneten Aktivierungsquellen dienen der Beschreibung der Größe der Handrepräsentation.
Sowohl im Bereich der rechten als auch der linken Hand ist der Tastsinn älterer Menschen schlechter als der junger Menschen. Bei jungen Versuchspersonen geht typischerweise eine lernbedingte Verbesserung des Tastsinns mit vergrößerten Repräsentationsarealen einher. Daher hatten die Bochumer Forscher bei ihren Versuchspersonen hohen Alters erwartet, kleinere Repräsentationen der Hand-/Fingerareale im Gehirn vorzufinden. Das Gegenteil war aber der Fall: Trotz schlechterer Leistung waren die Handrepräsentationen der älteren Versuchspersonen wesentlich größer als die der jungen Versuchspersonen.
Ältere Menschen aktivieren somit für eine sensorische Aufgabe, auch wenn sie schlechter ausgeführt wird, größere Teile ihres Gehirns. Dies deutet drauf hin, dass die beobachteten kortikalen Veränderungen im Gehirn des älteren Menschen anderen Mechanismen unterliegen, als dies für lernbedingte Veränderungen gilt. Es liegen bei altersbedingten Veränderungen also andere Mechanismen zugrunde als beim Lernen, wo größere Repräsentation mit besserer Leistung einhergeht.
Handrepräsentation nach Amputation
Bisher gingen Forschende aufgrund von Tieruntersuchungen davon aus, dass die Körperkarte nach Amputationen angepasst wird, da die Repräsentation der fehlenden Gliedmaße nicht mehr benötigt wird. Dem widersprechen nun die Ergebnisse einer Bildgebungsstudie mit drei Personen nach Armamputation, die ein Team um Dr. Tamar Makin an der Oxford University durchgeführt hat.
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Neugierig gemacht durch Berichte von Amputierten, die ihre Gliedmaßen noch lebhaft fühlen konnten, wollten die Forschenden untersuchen, was im Gehirn nach solchen Eingriffen wirklich passiert. Das Team kartierte bei drei Personen, denen ein Arm amputiert werden musste, die Körperrepräsentation im Cortex mithilfe funktioneller Magnetresonanztomografie (fMRT) jeweils vor dem Eingruff und bis zu fünf Jahre danach. Hierfür mussten die Patienten bestimmte Aufgaben im MRT-Gerät ausführen, wie Finger bewegen oder Lippen spitzen, um zu erfassen, welche Hirnregionen für diese Körperregionen zuständig sind. Nach der Operation sollten die Probanden sich dann Bewegungen der Finger der amputierten Hand während der Bildgebung vorstellen.
Wie die Forschenden berichten, veränderte die Amputation die innere Körperkarte kaum - die Repräsentationen sowohl der Hand als auch der Lippen in primären sensomotorischen Regionen blieben stabil. »Durch die direkte Quantifizierung von Aktivitätsveränderungen nach einer Amputation konnten wir zeigen, dass eine Amputation keine großflächige kortikale Reorganisation auslöst«, heißt es in der Publikation.
Die Forscher stellten fest, dass die Amputierten eine deutliche Aktivität im somatosensorischen Kortex der amputierten Hand zeigten. Die kortikale Repräsentation und Aktivität entsprach prinzipiell den Verhältnissen der gesunden Hand. Die Forscher validierten ihre Ergebnisse an einem weiteren amputierten Probanden und fanden auch hier die typische kortikale Organisation der Handareale. Die Forscher sehen ihre Ergebnisse als Hinweis dafür, dass das Gehirn die funktionelle Grundstruktur des Kortex erhält, auch wenn bestimmte Areale nicht mehr genutzt werden.
Für die Medizin haben die Ergebnisse Bedeutung: Sie zeigen, dass das Gehirn auch nach einer Amputation das Abbild der verlorenen Gliedmaße erstaunlich präzise bewahrt - eine stabile Grundlage für Brain-Computer-Interfaces (BCI), die Gedanken in Bewegung übersetzen sollen.
Anpassung an technische Erweiterungen
Wie passt sich das Gehirn an technische Erweiterungen an? Dies haben Forscher am Beispiel eines robotischen Zusatz-Daumens untersucht. Probanden lernten demnach schnell, das Greifwerkzeug geschickt und kreativ einzusetzen und empfanden den dritten Daumen schließlich sogar wie einen Teil ihres eigenen Körpers. Damit gingen charakteristische Veränderungen der Repräsentation der Hand im Gehirn einher, zeigten Untersuchungen.
Im Rahmen einer Studie haben sie und ihre Kollegen nun die Effekte eines Augmentations-Gerätes untersucht, das von der Co-Autorin Danielle Clode am Royal College of Art entwickelt wurde. Der sogenannte dritte Daumen wird auf der Seite der dominanten Hand getragen - in der Nähe des kleinen Fingers, sodass er dem eigentlichen Daumen des Benutzers gegenüberliegt. Der Träger steuert ihn mit Drucksensoren, die an den Füßen, an der Unterseite der großen Zehen, angebracht sind. Die beiden Zehensensoren sind drahtlos mit dem Dritt-Daumen verbunden und ermöglichen verschiedene Bewegungen.
An der Studie nahmen 20 Freiwillige teil, die den Umgang mit dem dritten Daumen sowohl unter Anleitung der Forscher als auch im Alltag erlernten: Innerhalb von fünf Tagen nutzten sie den robotischen Zusatzfinger insgesamt sechs Stunden lang täglich. Während des Trainings im Labor wurden die Teilnehmer grundlegend geschult, den Daumen zu benutzen. Der Fokus lag dabei auf Aufgaben, bei denen eine Zusammenarbeit zwischen der Hand und dem technischen Zusatzfinger nötig war, wie etwa beim Aufheben mehrerer Bälle oder Weingläser mit einer Hand. Es zeigte sich, dass sie schnell eine motorische Kontrolle und eine geschickte Hand-Daumen-Koordination entwickeln konnten. Es war dabei auch immer weniger Konzentration nötig, berichten die Wissenschaftler. „Unsere Studie zeigt, dass Menschen schnell lernen können, ein Augmentations-Gerät zu steuern und es zu ihrem Vorteil zu nutzen, ohne viel nachdenken zu müssen.
Um möglichen Auswirkungen auf Hirnfunktionen auf die Spur zu kommen, haben die Forscher vor und nach der Gewöhnung an das Gerät die Hirnaktivität der Probanden mittels funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRI) untersucht. Ohne den dritten Daumen zu tragen, bewegten die Teilnehmer dabei ihre Finger einzeln nacheinander an beiden Händen. In den Auswertungen zeichnete sich ab: Es gab signifikante Veränderungen dabei, wie die Hand, die mit dem dritten Daumen erweitert worden war, im sensomotorischen Kortex des Gehirns repräsentiert wurde.
Bei erneuten fMRI-Untersuchungen eine Woche nach dem Ende der Nutzungszeit waren die Veränderungen in der Gehirnaktivität allerdings wieder verschwunden, berichten die Wissenschaftler. Zumindest bei der kurzen Gewöhnungsphase von fünf Tagen waren die Effekte somit offenbar nicht von Dauer.
Verzerrte Wahrnehmung der Hand
Laut neuen Erkenntnissen der Hirnforscher Matthew Longo und Patrick Haggard des University College London müssten dabei selbst nüchterne Menschen eigentlich versagen: Denn wir nehmen unsere Gliedmaßen offenbar nur verzerrt war. Spezielle Sensoren im Körper versorgen das Gehirn laufend mit Informationen über die Stellung der Gelenke - nicht jedoch über die Beschaffenheit der Körperteile selbst. Da wir beide Informationen benötigen, um die Position unserer Gliedmaßen im Raum zu bestimmen, führt unser Gehirn solche Berechnungen vermutlich auf Basis eines hypothetischen Körpermodells durch.
Um es zu vermessen, baten die britischen Forscher 18 Probanden, ihre linke Hand unter einen fest montierten Sichtschutz zu legen. Anschließend sollten die Teilnehmer versuchen, die Fingerspitzen und Basisknöchel der verborgenen Hand mit Hilfe eines Zeigers zu markieren. Die kameragestützte Auswertung ergab: Alle Finger, bis auf den Daumen, schrumpfen in der subjektiven Einschätzung zusammen, während sich die Abstände zwischen den Knöcheln teils erheblich vergrößern.
Die Verzerrungen in der Handwahrnehmung decken sich erstaunlicherweise mit denen des Homunkulus-Modells - jener neuronalen Repräsentation unseres Körpers, bei der die Größe eines Körperteils der jeweiligen Ausdehnung des dafür zuständigen Hirngebiets entspricht. Eine mögliche Erklärung: Das Gehirns nutzt Seh- und Bewegungsinformationen, um das deformierte Körperschema zu korrigieren. Noch bleibt jedoch zu klären, ob derartige Verzerrungen nicht nur die Hand, sondern auch den Rest des Körpers betreffen.
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