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Forschung in der Forschungsgruppe Sensomotorik

 

In der Forschungsgruppe Sensomotorik erforschen wir die neuronalen Prozesse von zielgerichtetem Verhalten. Wir untersuchen die Grundlagen von Bewegungsplanung und Entscheidungsfindung in verschieden Gehirnarealen der Großhirnrinde von Primaten. Dabei steht das Zusammenspiel zwischen Gehirnregionen im Frontal- und Parietallappen während regelbasierter Handlungen im Vordergrund. Unsere neurowissenschaftliche Grundlagenforschung ist fest verknüpft mit der Entwicklung moderner Neuroprothesen und neurotechnologischer Methoden. Gleichzeitig verfolgen wir das Ziel immer weiter verbesserter Versuchsbedingungen für Primaten in den Neurowissenschaften.

Neurowissenschaftliche Erforschung zielgerichteter Bewegungen

Bewegungen sind mehr also nur reflexartige Antworten auf Änderungen in der Umwelt. Zielgerichtetes Verhalten ist das Ergebnis von Planung und Entscheidung und unterliegt der permanenten Veränderung durch Anpassung und assoziativem Lernen. In der Forschungsgruppe Sensomotorik erforschen wir die kortikalen neuronalen Mechanismen, die hinter der Planung und Wahl von zielgerichteten Handlungen stehen. Was ist in der neuronalen Aktivität an Informationen über zukünftige Handlungen enthalten, in welchen frontoparietalen, sensomotorischen Gehirnarealen findet sich diese Information und wann finden Bewegungsplanung und ‑auswahl statt?

Wir verwenden verschiedene Methoden, um diese Fragestellungen zu beantworten. Unser Hauptaugenmerk liegt auf neurophysiologischen Messungen in Gehirnarealen des hinteren Parietallappen und prämotorischen Kortex bei Rhesusaffen. Dabei untersuchen wir hauptsächlich die parietale Armbewegungsregion (parietal reach region, PRR) und den dorsalen Prämotorkortex (PMd) während der Ausführung von Armbewegungen. Die neurophysiologischen Ergebnisse interpretieren wir sowohl mit Hilfe von computergestützter Modellierung als auch mit psychophysischen Experimenten, in denen wir die neuronalen Daten mit sensomotorischen Fähigkeiten bei Menschen und Affen in Beziehung setzen, die wir in psychophysichen Experimenten setzen.

Was? – Bewegungsziele in verschiedenen räumlichen Bezugssystemen

Motor-goals in different spatial frames of reference
Bewegungsziele können in unterschiedlichen räumlichen Koordinatensystemen beschrieben werden, z. B. die Position des Milchglases relativ zur Blickrichtung oder zur Hand.

Bewegungen sind Änderungen der Körperhaltung in Raum und Zeit. Somit können Bewegungen in verschiedenen räumlichen Bezugssystemen beschrieben werden. Beispielsweise kann es einen Unterschied machen, ob die Bewegung der Hand relativ zum eigenen Körper im Verhältnis zur Schulter, zum Ellenbogen oder zum Handgelenk beschrieben wird. Ebenso lässt sich eine Handbewegung zu einem Greifziel relativ zur Blickrichtung beschreiben oder auch relativ zu anderen visuellen Objekten im Blickfeld. Inwiefern verändern sich diese Bezugssysteme dynamisch oder hängen vom Handlungskontext ab? In welchem Ausmaß werden verschiedene Bezugssysteme in der neuronalen Verarbeitung verwendet? Wir möchten verstehen, wie diese sensomotorische Transformationen im Gehirn umgesetzt und an neue Situationen angepasst werden.

Sensorische Kodierung contra bewegungsabhängige Kodierung
Die parietale Armbewegungsregion kann zu unterschiedlichen Zeitpunkten sowohl einen visuellen Hinweisreiz kodieren (hellblaue Linie) als auch dessen Bedeutung in Bezug auf die anschließende Bewegung (magenta).

Sensorische Kodierung contra bewegungsabhängige Kodierung Abhängig vom Handlungskontext kann die Position eines Zielobjekts mit verschiedenen Bewegungszielen verknüpft sein wie z. B. einer Bewegung zum Objekt oder vom Objekt weg. Dementsprechend müssen sensomotorische Transformationen auch unter Einbeziehung des Kontextes durchgeführt werden. Einzelne Zellen in den Arealen PRR und PMd, zwei Gehirnregionen, von denen bekannt ist, dass sie an sensomotorischen Transformationen beteiligt sind, spiegeln diese Fähigkeit in ihrer Aktivität wider. Einerseits ermöglicht uns die experimentelle Trennung von sensorischen Reizen und assoziierter Bewegung, dass wir die neuronale Kodierung von Bewegungszielen und von sensorischen Reizen voneinander unterschieden können. Gleichzeitig erlauben solche kontextabhängigen, sensomotorischen Transformationen auch ein flexibles, situationsbezogenes Reagieren auf sensorische Reize – ein Grundpfeiler von zielgerichtetem Verhalten, das wir auf diese Weise untersuchen können (Gail & Andersen 2006; Brozovich et al. 2007, Gail et al. 2009).

Planning in visual and physical space
Spezialbrillen lassen die eigene Handbewegung an einem anderen Ort erscheinen als sie tatsächlich ist. Damit kann man die Rolle visueller und physischer Bewegungsplanung untersuchen.

Planung im visuellen und physischen Raum Im Gegensatz zu unserer ausgeprägten Wahrnehmung von sensorischen Reizen sind wir uns der Natur der Bewegungsbefehle unseres Motorsystems erstaunlich wenig bewusst. Worin äußern sich Bewegungsziele auf der Ebene der kognitiven Verarbeitung? Eine seit langem bestehende Vorstellung besagt, dass Bewegungen auf Basis des sensorischen Zustandes, der mit einer bestimmten Bewegung assoziiert ist, geplant, ausgewählt und eingeleitet werden. Wenn wir das sensorische Feedback einer Bewegung von der physisch ausgeübten Bewegung trennen, sehen wir, dass Zellen im hinteren Parietallappen und im prämotorischen Kortex das Bewegungsziel sowohl im physischen als auch im visuellen Raum widerspiegeln. Dies lässt sich auch als neuronale Repräsentation propriozeptiven (körperwahrnehmenden) und visuellen Feedbacks einer bevorstehenden Bewegung interpretieren (Kuang & Gail 2014; Kuang et al. 2015; Kuang et al., in preparation).

Object-centered reaching

Objektzentriertes Greifen Wenn die Situation es erfordert, können wir Bewegungen nicht nur in Bezug auf unseren eigenen Körper (egozentrisches Bezugssystem), sondern auch in Bezug auf andere Objekte planen (allozentrisches Bezugssystem). Zellen in der frontoparietalen sensomotorischen Schleife für Armbewegungen spiegeln diese Fähigkeit wider, indem sie Bewegungsziele sowohl in egozentrischer, als auch in allozentrischer Weise kodieren (Taghizadeh & Gail 2014; Taghizadeh & Gail, in preparation).

Die Bewegung zu einem Zielobjekt wie einem Kaffeebecher kann sowohl relativ zum eigenen Körper (egozentrisch, blauer Pfeil) oder auch relativ zu einem anderen Objekt (allozentrisch, roter Pfeil) geplant werden.

Sensorimotor adaptation
Systematische Diskrepanzen zwischen einem intendierten und dem tatsächlich erreichten Bewegungsziel (Bewegungsfehler) werden im sensomotorischen System durch Adaptation kompensiert. Wird diese auf Bewegungen verallgemeinert, bei denen eine Anpassung nicht notwendig wäre, kann das zu unerwünschten Bewegungsfehlern führen.

Sensomotorische Adaptation Sensomotorische Transformationen zur Erzeugung zielgerichteter Handlungen sind sehr anpassungsfähig. Dies ist notwendig, um Veränderungen in unserer Umwelt oder unserem Körper ausgleichen zu können. Im Experiment können wir diese Anpassung (Adaptation) hervorrufen, indem wir Bewegungsabläufe oder sensorisches Feedback stören und verändern. Adaptive Veränderungen wirken sich auch auf Bewegungen in Bereichen des Arbeitsfeldes aus, die nicht verändert oder gestört wurden. Aus diesen lässt sich dann die räumliche Kodierung der zu Grunde liegenden Adaptation herauslesen. Mit Hilfe von Simulationen mit neuronalen Netzwerken können wir daraufhin Vorhersagen über die entsprechenden neuronalen Veränderung machen (Westendorff et al. 2015).

Wo? – Die Beteiligung von frontalen und parietalen Gehirnregionen an regelbasierten Handlungen

Die Fähigkeit, das richtige Verhalten in unterschiedlichen Handlungskontexten an den Tag zu legen, ist eine wichtige sog. Exekutivfunktion des Gehirns. Bedingtes Motorverhalten bezeichnet unsere Fähigkeit, willkürliche und teils abstrakte Assoziationen zwischen einem Hinweisreiz und einer zugehörigen Reaktion zu erlernen. Die Fähigkeit, statt eines reizbedingten, impulsiven Handelns ein Verhalten zu zeigen, dass durch den Kontext vorgegeben ist, ist eine wichtige Funktion des Frontallappens. Wir untersuchen die jeweilige Beteiligung und das Zusammenspiel des Parietal- und Frontallappens während  solcher kontextbedingten, sensomotorischen Transformationen.

Similarities and differences in parietal and frontal cortex
Zeigt ein Hinweisreiz das Bewegungsziel nur indirekt an, ist die Information über das Bewegungsziel in Neuronen des prämotorischen Kortex (PMd) früher vorhanden als im parietalen Kortex (PRR).

Ähnlichkeiten und Unterschiede in der Kodierung in Parietal- und Frontallappen Um die funktionelle Struktur und mögliche wechselseitige Abhängigkeiten im kortikalen sensomotorischen Netzwerk zu verstehen, analysieren wir, wie und zu welchen genauen Zeitpunkten bei der Auswahl einer regelbasierten Handlung das Bewegungsziel neuronal dargestellt wird. Die grundlegenden Kodierungsprinzipien ähneln sich dabei sehr in den entsprechenden Armbewegungsarealen im frontalen und parietalen Lappen. Dennoch gibt es große Unterschiede in Bezug auf die räumliche Selektivität und das Timing zwischen den Regionen. Diese Unterschiede werden besonders offensichtlich, wenn man Situationen, in denen sich der Stimulus mit der motorischen Antwort räumlich deckt, vergleicht mit Situationen, in denen dies nicht der Fall ist (Gail et al. 2009; Westendorff et al. 2010).

Fronto-parietal functional interactions
Ein dynamisches funktionelles Zusammenspiel zwischen frontalen (gelb markiert) und parietalen Arealen (rot markiert) dient vermutlich wichtigen Funktionen der exekutiven Verhaltenskontrolle.

Funktionelle fronto-parietale Interaktionen Um die Struktur des sensomotorischen Systems verstehen zu können, charakterisieren wir nicht nur die einzelnen motorischen Planungsareale, sondern betrachten auch die funktionelle Interaktion zwischen diesen Gehirnregionen. Lokale Signalkorrelationen zwischen den Impulsmustern von Neuronen weisen dabei auf eine funktionelle Organisation innerhalb der Areale hin, besonders im parietalen Kortex (Chakrabarti et al. 2014). Die Interaktionen zwischen den einzelnen Regionen können besser mit Hilfe von lokalen Feldpotentialen untersucht werden. Dabei konnten wir ein phasisches Zusammenspiel zwischen den frontalen und parietalen Arealen feststellen, das typisch für Prozesse des Arbeitsgedächtnisses ist, einem wichtigen Aspekt von exekutivem Verhalten (Martinez-Vazquez & Gail, in preparation).

Wann? – Die gegenseitige Abhängigkeit von Handlungsplanung und -auswahl

Wann und unter welchen Bedingungen beschäftigt sich das sensomotorische System mit kognitiven Prozessen, die nicht direkt mit der Bewegungsplanung oder der Bewegungskontrolle zusammenhängen? Findet Bewegungsplanung statt bevor wir uns für eine bestimmte Handlung entscheiden oder erst danach? Inwiefern ist eine vorausgehende Bewegungsplanung Teil der Bewegungsauswahl? Wir untersuchen den Einfluss von möglichen Konsequenzen einer Bewegung auf die Handlungsentscheidung und auf die Planungsaktivität im sensomotorischen System.

Rule-based action selection
Sensomotorische Areale der Bewegungsplanung können zwei mögliche Handlungen gleichzeitig kodieren (zwei Aktivitätshügel in der Bildmitte). Sobald die Entscheidung für eine Handlung gefallen ist und ausgeführt wird, wird diese kodiert (dominanter Hügel rechts im Bild).

Regelbasierte Bewegungsauswahl Zielgerichtetes Handeln impliziert, dass wir uns aus einer Fülle von Handlungsmöglichkeiten für eine entscheiden. Solch eine Entscheidung muss auf Basis der sensorischen Reize mit Hilfe gelernter Verhaltensregeln getroffen werden. Zum Beispiel müssen wir uns entscheiden entweder auf ein bestimmtes Ziel zu visieren (den gegnerischen Tennispartner in einem Freundschaftsspiel) oder vorbei zu zielen (in einem Tenniswettbewerb). Während einer solchen regelbasierten Aufgabe kann das sensomotorische System beide möglichen Bewegungsziele gleichzeitig kodieren, vorausgesetzt, beide Handlungsziele sind gleichermaßen bevorzugt. Die letztendliche Entscheidung kann auf früherer, gelernter Erfahrung und direkt vorhergehender Bewegungsplanung basieren (Klaes et al 2011; Klaes et al. 2012; Suriya-Arunroj & Gail 2015; Suriya-Arunroj & Gail, in preparation).

Video über die Erforschung regelbasierter Bewegungsauswahl in der Forschungsgruppe Sensomotorik

Economics and ergonomics

Ökonomie und Ergonomie Die Entscheidung für eine bestimmte Bewegung kann auf mehreren Faktoren beruhen, zu denen nicht nur ökonomische Kriterien gehören. Um Bewegungsplanung und -auswahl in komplexeren Bewegungsabläufen zu untersuchen, führen wir Experimente im stereoskopischen, dreidimensionalen virtuellen Raum durch, in dem Menschen und Affen mit Hilfe von haptischen Robotern navigieren können. Dabei zeigt sich zum Beispiel, dass von zwei möglichen Armbewegungen nicht nur diejenige mit dem geringeren physischen Aufwand bevorzugt wird, sondern diese ökonomische Entscheidung offenbar vergleichbaren Optimierungskriterien unterliegt, wie sie für die Steuerung von Bewegungen selbst angenommen werden (Morel et al., in press).

Schematische Darstellung eines Affen, der mit Hilfe eines haptischen Roboters (oben im Bild) im stereoskopischen, dreidimensionalen virtuellen Raum Bewegungen ausführt.

Neurotechnologie und Neuroprothesen

Neuronale Signale des zentralen und peripheren Nervensystems können benutzt werden, um hochentwickelte Motorprothesen zu steuern. Mit Hilfe eines verbesserten Verständnisses der neuronalen Grundlagen von Bewegungsplanung können wir geeignete Signale zur Steuerung von Neuroprothesen identifizieren. Zusätzlich arbeiten wir an der Verbesserung von anpassungsfähigen neuronalen Messsystemen und kabellosen elektro-muskulären Messmethoden für die Prothesensteuerung.

Adaptive multi-electrode positioning system (BFNT-AMEP)
Aktionspotentiale (oben rechts) können mithilfe von Mustererkennungsalgorithmen aus dem komplexen Hirnsignalen extrahiert und einzelnen Gehirnzellen zugeordnet werden. Das Signal kann von einem Zeitpunkt (τ<sub>k-1</sub>) zum nächsten (τ<sub>k</sub>) mit einer gleichbleibenden Qualität gemessen und analysieren werden (unten rechts) indem die Mikroelektroden automatisiert im Gehirngewebe re-positioniert werden.

Anpassungsfähiges Positionierungssystem von Multi-Elektroden (BFNT-AMEP) Chronisch implantierte Mikroelektroden geben Wissenschaftlern die Möglichkeit, die Aktivität von vielen Gehirnzellen gleichzeitig über lange Zeiträume hinweg in nicht-menschlichen Primaten (und in seltenen Fällen auch im Menschen) zu messen. Für die Signaloptimierung ist es wünschenswert, ein solches chronisches System mit der Möglichkeit zu kombinieren, die Position der Elektroden immer wieder anpassen zu können, insbesondere, wenn diese Positionierung automatisch erfolgen kann. Ein solches computergesteuertes und anpassungsfähiges, implantierbares Elektrodenpositionierungssystem wurde von unserem industriellen Partner Thomas RECORDING, Gießen, entwickelt (Chakrabarti et al. 2012; Ferrea et al., in preparation).

  

Myoplant
Die elektrische Aktivität im den Armmuskeln (myo-elektrische Signale) während zielgeführter Handbewegungen wird von einem Funkimplantat gemessen und kabellos an eine Prothese übertragen.

Myo-elektrische Prothesen (MYOPLANT) Moderne Prothesen können mit Hilfe elektrischer Signale von intakten Muskeln gesteuert werden. Im klinischen Alltag werden bisher diese myo-elektrischen Signale, im Vergleich zu Signalen vom Gehirn, bevorzugt für Prothesen verwendet. Wir beteiligen uns an der Weiterentwicklung dieser Technik, indem wir fortschrittliche, kabellos implantierbare, muskelelektrische Messmethoden konzipieren und testen. Das Myoplant-Projekt ist eine Zusammenarbeit zwischen der Otto Bock Healthcare, einem führenden Industriepartner im Bereich von Prothesen, sowie akademischen und klinischen Partnern. Das Ziel ist die Entwicklung einer neuen Generation von bionischen Handprothesen, die mit Hilfe von komplett implantierbaren, kabellosen muskelelektrischen Signalen gesteuert werden können (Ruff et al. 2010; Lewis et al. 2013; Morel, Ferrera et al. 2016).

        

Tierschutz

SeverityAssessment

Das Arbeiten mit nicht-menschlichen Primaten, besonders mit wachen und agierenden Tieren, stellt große Anforderungen an die Pflege und das Wohlergehen der Tiere. Wir brauchen mehr Erkenntnisse darüber, welche die entscheidenden Faktoren für die Gewährleistung dieser Punkte bei nicht-menschlichen Primaten in der Forschung sind. Dies beinhaltet die Entwicklung von neuen Versuchsmethoden und deren Vergleich mit bisherigen Ansätzen. Auch eine ausgereiftere, systematischere Feststellung von möglichen Biomarkern, die das Wohlergehen der Tiere beschreiben, ist notwendig. Bestrebungen in diese Richtungen sollten sich nicht nur auf einzelne Forschungsgruppen konzentrieren. Zu diesem Zweck arbeiten wir eng mit anderen Experten zusammen, lokal (DPZ-WeCo; siehe DPZ Aktuell 4/2014, S.9), national (DFG-FOR 1847DFG-FOR 2591) und international (EUPRIM-Net). 

XBI
Ein Affe führt einen kognitiven Test an einem Touchscreen durch, zu dem er freien und selbstbestimmten Zugang in seinem Käfig hat.

Käfig-basierte Testsysteme Als ein zentrales Element der Konzipierung neuer Versuchsmethoden haben wir ein technisches System entwickelt, das es Rhesusaffen erlaubt, kognitive und sensomotorische Aufgaben in ihrer Käfigumgebung durchzuführen (XBI). Diese Technik ermöglicht eine selbstbestimmte Interaktion mit dem System mit Hilfe eines Touchscreens und kann flexibel zur Durchführung von Verhaltensexperimenten programmiert werden, die den konventionellen neurowissenschaftlichen Tests möglichst gleichwertig sind (Calapai et al., 2016; Berger et al., in preparation).