Fingerfertigkeit in Modulbauweise

Eine schier unendliche Zahl von Finger- und Handbewegungen lässt sich beim Menschen auf eine relativ kleine Zahl von Grundmustern zurückführen. Das haben Wissenschaftler jetzt nachgewiesen. Das Gehirn kann so das gesamte Bewegungsrepertoire ökonomisch organisieren. Die Forschungsergebnisse sind jetzt in der Fachzeitschrift Neuron erschienen.

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Eine Beethoven-Sonate auf dem Klavier spielen; einen scharf geschossenen Ball fangen; einen Faden durch ein Nadelöhr lenken: Fingerbewegungen gehören zu den flexibelsten Bewegungen des Menschen und zu den virtuosesten des gesamten Tierreichs. Ihrer Bedeutung sind sich die Meisten nicht bewusst; erst mit einer Behinderung, wie sie zum Beispiel nach einem Schlaganfall häufig auftritt, wird den Betroffenen klar, was sie verloren haben.

Magnetstimlulation verrät Arbeitsweise des Gehirns

Die Frage, wie es das Gehirn schafft, diese Fingerfertigkeiten zu organisieren, beschäftigt die Wissenschaft schon lange. Seit über 130 Jahren wenden Forscher unterschiedlichste Methoden der Nervenstimulation an, um Informationen über die Prinzipien zu gewinnen, wie das Gehirn Fingerbewegungen kontrolliert. "Schon seit einiger Zeit wurde vermutet, dass das Nervensystem die unterschiedlichen Bewegungen aus einer kleinen Zahl von Mustern, so genannten Modulen, konstruiert", sagt Joseph Claßen, Oberarzt an der Neurologischen Klinik der Universität Würzburg. Eine Bestätigung dieser Theorie gelang dem Neurologen jetzt gemeinsam mit dem Diplom- Ingenieur für Elektrotechnik Reinhard Gentner mit Hilfe einer besonderen Technik.

"Unsere Arbeit verwendet die transkranielle Magnetstimulation, eine schmerzlose Technik, mit der sich Nervenzellen der menschlichen Hirnrinde durch die Schädeldecke hindurch erregen lassen", erklärt Claßen. Dabei wandert eine Kupferdrahtspule über den Kopf der Versuchsperson. Ein kurzer Stromfluss durch die Spule erzeugt ein Magnetfeld, das schmerzlos durch den Knochen hindurch die darunter liegenden Nervenzellen in der Gehirnrinde erregt. Je nachdem, welches Gebiet stimuliert wird, zucken die Finger des Probanden auf unterschiedliche Weise. Über einen Datenhandschuh wird die Bewegung aufgezeichnet und mathematisch analysiert.

Modularer Aufbau nachgewiesen

"Uns hat vor allem interessiert, ob es in der Verschiedenheit nicht ein paar grundlegende Gesetzmäßigkeiten gibt", erklärt Claßen. Und tatsächlich habe die mathematische Analyse gezeigt, "dass die durch transkranielle Magnetstimulation hervorrufbaren Fingerbewegungen modular aufgebaut sind." Die Vielzahl von Fingerbewegungen lässt sich nach Claßens Worten auf die Kombination von nur wenigen Bewegungsmustern zurückführen. Um eine bestimmte Bewegung auszuführen, addiert das Gehirn sozusagen die dafür notwendigen Grundmodule.

Darüber hinaus konnten Gentner und Claßen zeigen, dass die durch Magnetstimulation aufgefundenen Module denjenigen stark ähnelten, die sich aus der Analyse von Endpositionen natürlicher Greifbewegungen ergaben. Dieser Befund legt nahe, dass die Kontrolle von Bewegungsendpositionen ein wichtiges Arbeitsprinzip des zentralen Nervensystems darstellt.

Anwendung in Schlaganfall-Therapie möglich

Gut möglich, dass die Ergebnisse der beiden Wissenschaftler demnächst Eingang in die Therapie finden. So sind zum Beispiel viele Patienten nach einem Schlaganfall nur noch in der Lage, grobe Greifbewegungen auszuführen. "Die Freiheitsgrade sind bei ihnen erheblich reduziert", sagt Claßen. Das Wissen darüber, wie das Gehirn einzelne Finger steuert, könnte demnach in eine gezielte Therapie fließen. Außerdem dürften die Erkenntnisse hilfreich bei der Konstruktion und Steuerung von Neuroprothesen sein.

Trotz der neuen Erkenntnisse gibt es noch immer genug offene Fragen, was die Bewegung von Hand und Fingern betrifft. Deshalb wollen Gentner und Claßen in einer Fortführung ihrer Studie untersuchen, ob sich die Anzahl dieser Module bei bestimmten Krankheiten verändert, und ob Menschen, die ihre Hände intensiv nutzen, wie zum Beispiel Berufsmusiker, eine veränderte Organisation von Bewegungen aufweisen.

(Universität Würzburg, 27.11.2006 – NPO)