{"id":3436,"date":"2020-12-10T05:20:50","date_gmt":"2020-12-10T04:20:50","guid":{"rendered":"https:\/\/radioleinewelle.de\/?p=3436"},"modified":"2020-12-10T05:20:50","modified_gmt":"2020-12-10T04:20:50","slug":"ein-objekt-greifen-modell-entschluesselt-komplette-bewegungsplanung-im-gehirn","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/radioleinewelle.de\/index.php\/2020\/12\/10\/ein-objekt-greifen-modell-entschluesselt-komplette-bewegungsplanung-im-gehirn\/","title":{"rendered":"Ein Objekt greifen &#8211; Modell entschl\u00fcsselt komplette Bewegungsplanung im Gehirn"},"content":{"rendered":"<p>Tagt\u00e4glich machen wir m\u00fchelos unz\u00e4hlige Greifbewegungen. Wir nehmen einen Schl\u00fcssel in die Hand, \u00f6ffnen die Haust\u00fcr durch Bet\u00e4tigung des T\u00fcrgriffs, ziehen sie anschlie\u00dfend von au\u00dfen zu und schlie\u00dfen mit dem Schl\u00fcssel ab. Was f\u00fcr uns selbstverst\u00e4ndlich ist, basiert auf einem komplexen Zusammenspiel unserer Augen, verschiedener Hirnregionen und letztlich unsere Muskeln in Arm und Hand. <strong>Neurowissenschaftlern des Deutschen Primatenzentrums (DPZ) \u2013 Leibniz-Institut f\u00fcr Primatenforschung in G\u00f6ttingen<\/strong> ist es erstmals gelungen, ein Modell zu entwickeln, das die gesamte Bewegungsplanung vom Sehen eines Objektes bis hin zum Greifen dieses Gegenstandes l\u00fcckenlos abbilden kann. Umfassende neuronale und motorische Daten aus Greif-Experimenten mit zwei Rhesusaffen lieferten hierbei entscheidende Ergebnisse f\u00fcr die Entwicklung des Modells, bei dem es sich um ein k\u00fcnstliches neuronales Netzwerk handelt, das durch das Einspeisen von Bildern, die bestimmte Objekte zeigen, in der Lage ist, Abl\u00e4ufe und Zusammenh\u00e4nge bei der Verarbeitung dieser Informationen im Gehirn zu simulieren. Die neuronalen Daten aus dem k\u00fcnstlichen Netzwerkmodell konnten die komplexen biologischen Daten aus den Tierexperimenten erkl\u00e4ren und belegen somit die Validit\u00e4t des funktionellen Modells. Dieses k\u00f6nnte langfristig zur Entwicklung besserer Neuroprothesen beitragen, um zum Beispiel bei einer Querschnittsl\u00e4hmung die besch\u00e4digte Nervenverbindung zwischen Gehirn und Extremit\u00e4ten zu \u00fcberbr\u00fccken und so die Weitergabe der Bewegungsbefehle vom Hirn zu Armen und Beinen wieder herzustellen (PNAS).<\/p>\n<p>Rhesusaffen verf\u00fcgen wie wir Menschen \u00fcber ein hochentwickeltes Nerven- und Sehsystem sowie eine ausgepr\u00e4gte Feinmotorik. Aus diesem Grund eignen sie sich besonders gut f\u00fcr die Erforschung von Greifbewegungen. Aus fr\u00fcheren Studien ist bekannt, dass bei Rhesusaffen das Zusammenspiel dreier Hirnareale f\u00fcr das Greifen eines anvisierten Objektes verantwortlich ist. Bisher gab es jedoch kein detailliertes Modell, dass den gesamten Prozess von der Verarbeitung der visuellen Informationen bis hin zur Muskelsteuerung von Arm und Hand zum Greifen des Objektes l\u00fcckenlos auf neuronaler Ebene abbilden konnte.<\/p>\n<p>F\u00fcr die Entwicklung eines solchen Modells, wurden zwei m\u00e4nnliche Rhesusaffen darauf trainiert, 42 Gegenst\u00e4nde von unterschiedlicher Form und Gr\u00f6\u00dfe zu greifen, die ihnen in beliebiger Reihenfolge pr\u00e4sentiert wurden. Dabei trugen die Affen einen Datenhandschuh, der die Bewegungen von Arm, Hand und Fingern kontinuierlich erfasste. Zun\u00e4chst wurde das zu greifende Objekt kurz angeleuchtet, w\u00e4hrend die Affen einen roten Punkt unter dem jeweiligen Objekt betrachteten und die Greifbewegung mit kurzer Verz\u00f6gerung nach dem Aufblitzen eines Startsignals ausf\u00fchrten. Diese Bedingungen gaben Aufschluss dar\u00fcber, zu welchem Zeitpunkt die verschiedenen Hirnareale aktiv sind, um ausgehend von den visuellen Signalen die Greifbewegung und die damit verbundenen Muskelaktivierungen zu erzeugen.<\/p>\n<p>Im n\u00e4chsten Schritt wurden Bilder der 42 Objekte, aufgenommen aus der Perspektive der Affen, in ein k\u00fcnstliches neuronales Netzwerk im Computer eingespeist, dessen Funktionsweise den biologischen Vorg\u00e4ngen im Gehirn nachempfunden war. Das Netzwerkmodell bestand aus drei miteinander verbundenen Stufen, entsprechend der drei kortikalen Hirnareale der Affen, und erlaubte damit aussagekr\u00e4ftige Einblicke in die Dynamik der Gehirnnetzwerke. Nach entsprechendem Training mit den Verhaltensdaten der Affen war das Netzwerk in der Lage, die Greifbewegungen der Rhesusaffen pr\u00e4zise widerzuspiegeln. So konnte es Bilder mit darauf erkennbaren Objekten verarbeiten und daraus die zum Greifen der Objekte notwendige Muskeldynamik beim Affen sehr genau reproduzieren.<\/p>\n<p>Die Ergebnisse, die mit Hilfe des k\u00fcnstlichen Netzwerkmodells erzielt wurden, wurden anschlie\u00dfend mit den biologischen Daten aus dem Affen-Experiment verglichen. Es zeigte sich, dass die neuronale Dynamik des Modells mit der neuronalen Dynamik der kortikalen Hirnareale der Affen hochgradig \u00fcbereinstimmte. \u201eDieses k\u00fcnstliche Modell beschreibt erstmals in biologisch realistischer Weise den neuronalen Verarbeitungsprozess vom Sehen eines Objektes zur Objekterkennung \u00fcber die Handlungsplanung bis hin zur Handmuskelsteuerung beim Greifen\u201c, sagt Hansj\u00f6rg Scherberger, Leiter der Abteilung Neurobiologie am DPZ, und erg\u00e4nzt: \u201eDieses Modell tr\u00e4gt dazu bei, die im Gehirn ablaufenden Prozesse besser zu verstehen, und k\u00f6nnte langfristig zur Entwicklung leistungsf\u00e4higerer Neuroprothesen genutzt werden.\u201c<\/p>\n<p><strong>Originalver\u00f6ffentlichung\u00a0<\/strong><br \/>\nMichaels JA, Schaffelhofer S, Agudelo-Toro A, Scherberger H (2020): A goal-driven modular neural network predicts parietofrontal neural dynamics during grasping. PNAS. DOI: <a href=\"https:\/\/doi.org\/10.1073\/pnas.2005087117\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\">doi.org\/10.1073\/pnas.2005087117<\/a><\/p>\n<hr \/>\n<p><strong>Foto:<\/strong>Ein Rhesusaffe (Macaca mulatta) tr\u00e4gt einen Datenhandschuh zur Erfassung detaillierter Hand- und Armbewegungen. Foto: Ricarda Lbik<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Tagt\u00e4glich machen wir m\u00fchelos unz\u00e4hlige Greifbewegungen. Wir nehmen einen Schl\u00fcssel in die Hand, \u00f6ffnen die Haust\u00fcr durch Bet\u00e4tigung des T\u00fcrgriffs, ziehen sie anschlie\u00dfend von au\u00dfen zu und schlie\u00dfen mit dem Schl\u00fcssel ab. Was f\u00fcr uns selbstverst\u00e4ndlich ist, basiert auf einem komplexen Zusammenspiel unserer Augen, verschiedener Hirnregionen und letztlich unsere Muskeln in Arm und Hand. 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