Ein Versuchsaufbau aus der Studie: Was passiert im Gehirn der Probanden, wenn sie zum Beispiel einen Schlüssel ins Schloss stecken? (Foto: M.-L. Brandi / TUM)
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Neuronale Zusammenhänge beim Gebrauch von Werkzeugen aufgeklärtWas passiert im Gehirn, wenn wir die Tür aufschließen?

Sie können ihre Jacke nicht zuknöpfen oder haben Schwierigkeiten, den Schlüssel ins Schloss zu stecken: Bei Menschen mit Apraxie sind motorische Handlungen gestört – zum Beispiel nach einem Schlaganfall. Münchner Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben die Gehirnareale untersucht, die für die Planung und Ausführung komplexer Handlungen verantwortlich sind. Dabei stellten sie fest, dass es im Gehirn ein spezifisches Netzwerk für den Gebrauch von Werkzeugen gibt. Die Arbeit ist im Journal of Neuroscience erschienen.

Forscher an der Technischen Universität München (TUM) und am Klinikum rechts der Isar haben analysiert, welche Hirnnetzwerke für den Gebrauch von Werkzeugen oder anderen Hilfsmitteln verantwortlich sind. Dafür setzten die Wissenschaftler die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) ein. Diese Bildgebungsmethode zeigt, welche Hirnareale bei Gedanken, Bewegungen und Handlungen aktiviert werden.

Die Verwendung von Werkzeugen ist eine essentielle Fähigkeit des Menschen. „Es gibt zahlreiche Studien, die neuronale Prozesse beim Werkzeuggebrauch untersuchen“, sagt Prof. Joachim Hermsdörfer vom TUM-Lehrstuhl für Bewegungswissenschaften. „Viele Studien beschränken sich jedoch darauf, dass Probanden eine Handlung betrachten, sie pantomimisch ausführen oder sie sich einfach nur bildlich vorstellen.“ Ziel der aktuellen Studie war es, die neuronalen Grundlagen des Werkzeuggebrauchs unter möglichst realitätsnahen Bedingungen zu analysieren.

Im MRT erhielten die Probanden zehn Alltagsgegenstände, darunter Hammer, Flaschenöffner, Schlüssel, Feuerzeug und Schere sowie beliebige Objekte. Sie bekamen die Aufgabe, die Gegenstände entweder zu benutzen oder nur anzuheben und wieder abzulegen, jeweils mit der linken und rechten Hand. Bei der Analyse der Daten betrachteten die Wissenschaftler die Phase der Handlungsplanung und der tatsächlichen Ausführung getrennt voneinander. Damit konnten sie die Hirnnetzwerke bestimmen, die bei der Planung und Ausführung des Werkzeuggebrauchs aktiv sind.

Werkzeug-spezifisches Netzwerk im Gehirn

Eine wichtige Erkenntnis war, dass die linke Gehirnhälfte aktiviert wird, wenn die Probanden den Werkzeuggebrauch planten - unabhängig davon welche Hand sie benutzten. Daneben konnten die Forscher ein weit verzweigtes Netzwerk erkennen, das neben der Planung der Handlung auch die Ausführung des Werkzeuggebrauchs steuert. Für die Verwendung unbekannter Objekte hingegen sind diese Regionen nicht so stark aktiv.

Das „Werkzeug-Netzwerk“ besteht aus Hirnregionen des Scheitel- und Frontallappens sowie Regionen im hinteren Schläfenlappen und einem weiteren Areal im seitlichen Occipitallappen des Gehirns. Es zeigt sich also ein neuronales Aktivierungsmuster, das alle Elemente einer komplexen Handlung abdeckt: Dazu gehören das Erkennen der Objekte als Werkzeuge, das Verstehen, wie sie gebraucht werden und die motorische Aktion, um das Werkzeug tatsächlich zu benutzen.

„Außerdem konnten wir in der Studie die Annahme bestätigen, dass es für verschiedene Aufgaben unterschiedliche Wahrnehmungs-‚Ströme’ im Gehirn gibt“, erklärt Hermsdörfer. Der dorsale Strom der Wahrnehmung leitet Signale zum hinteren Scheitellappen weiter und ist allgemein für die Steuerung von Handlungen zuständig. „Er lässt sich in zwei funktionsspezifische Verarbeitungswege unterteilen: Der dorso-dorsale Strom steuert grundlegende Greif- und Bewegungsprozesse unabhängig davon, ob das Objekt bekannt ist oder nicht. Ein zweiter Strom, der ventro-dorsale Strom wird aktiv, wenn wir bekannte Werkzeuge benutzen.

Das Wissen über die Lokalisierung dieser „Handlungsmodule“ kann helfen, eine differenziertere Diagnose der Apraxie zu erstellen und verbesserte Therapiemaßnahmen zu entwickeln.


Publikation:
Brandi M-L, Wohlschläger A, Sorg C, Hermsdörfer J. The Neural Correlates of Planning and Executing Actual Tool Use, The Journal of Neuroscience, 34(39):13183-13194
DOI: 101523/JNEUROSCI.0597-14.2014

Kontakt:
Technische Universität München
Lehrstuhl für Bewegungswissenschaften

Marie-Luise Brandi
Tel.: +49 89 289-24643
E-Mail: luise.brandi(at)tum.de

Prof. Dr. Joachim Hermsdörfer
Tel.: +49 89 289-24550
E-Mail: joachim.hermsdoerfer(at)tum.de

Technische Universität München

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barbara.wankerl(at)tum.de

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