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Forschung Marburg Vorhersagen entlasten das Gehirn
Vorhersagen entlasten das Gehirn
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19:27 02.02.2017
Dr. Bianca van Kemenade und Professor Benjamin Straube verwenden dieses selbstgebaute Gerät, das unwillkürliche Handbewegungen verursachen kann, bei künftigen Forschungen zur Wahrnehmung des Handelns. Quelle: Tobias Hirsch
Marburg

Eigentlich simple und alltägliche Aktionen wie das Fangen eines geworfenen Balles oder das Klopfen an eine Tür sind die Folge einer Vielzahl von Prozessen und Entscheidungen im Gehirn, die parallel und äußerst schnell ablaufen. Moderne Methoden der Bildgebung haben in den vergangenen Jahren mit dazu beigetragen, die dahinterliegenden Hirnprozesse zu durchleuchten und zu analysieren. „Wir verstehen jetzt immer mehr, wie komplex solche Prozesse sind“, sagt Dr. Bianca van Kemenade. Zusammen mit Professor Benjamin Straube untersucht sie diese Mechanismen, die für die Umsetzung von Sinneseindrücken und Umwelteinflüssen in eigene Handlungen verantwortlich sind. Die Forschungen sind ein Bestandteil des Sonderforschungsbereichs „Kardinale Mechanismen der Wahrnehmung“ (siehe Artikel unten).

Die Ergebnisse könnten auch wichtig werden für das Verständnis und die Therapie von psychischen Krankheiten. Denn an Schizophrenie erkrankte Patienten haben häufig nicht diese Mechanismen als Hilfsmittel parat, um alltägliche Handlungen zweifelsfrei als selbst- und nicht als fremdbestimmt wahrzunehmen. Ähnliche Unterschiede zwischen Gesunden und an Schizophrenie Erkrankten gibt es laut einer britischen Studie aus dem Jahr 2000 übrigens beim Kitzeln. So sind Schizophrenie-Patienten auch dann kitzlig, wenn sie sich selber kitzeln. Das liegt wohl daran, dass sie ihre eigene Aktion nicht sicher sich selber zuordnen können und es ein Überraschungsmoment gibt. Bei den nicht erkrankten Menschen hingegen tritt der Kitzeleffekt beim Selber-Kitzeln in der Regel nicht auf. Sinneswahrnehmungen kosten unser Hirn normalerweise weniger Energie, wenn wir die wahrgenommenen Vorkommnisse selbst hervorrufen. Das zeigt die im Wissenschaftsmagazin „PLOS ONE“ veröffentlichte Marburger Studie.

21 Probanden bei Studie

Die Forscher vermuten, dass es für verschiedenartige Sinnesreize Vorhersagemechanismen gibt, die im Kleinhirn lokalisiert sind. Zudem arbeiten sie daran, auch anderen Hirnregionen spezielle Wahrnehmungs-Eigenschaften zuzuordnen, die beispielsweise für das Vergleichen von Sinneserfahrungen oder die Planung von Handlungen verantwortlich sein könnten. Für die jetzt veröffentlichte Studie lagen 21 Probanden in einem Experiment jeweils in einem Magnetresonanztomographen, wobei die Hirnströme und die Sauerstoffverarbeitung des Blutes in den einzelnen Hirnregionen gemessen wurden. Bei dem Experiment wurden visuelle und akustische Reize kombiniert, die Probanden mit einem Tastendruck entweder selbst auslösten oder automatisch dargeboten bekamen: Sie empfingen Punkte auf einem Bildschirm und Töne mit Hilfe eines Kopfhörers. Durch den Einbezug von Tönen und Bildpunkten sollte eine möglichst alltagsnahe Situation simuliert werden, in der Sehen und Hören oft gleichermaßen relevant sind.

Im aktiven Zustand lösten die Teilnehmer die Reize selbst durch Knopfdruck aus und mussten erkennen, ob die Signale verzögert erschienen. Im passiven Zustand mussten sie erkennen, ob es sich um einzelne oder kombinierte Sinnesreize handelt, ohne dass sie diese selbst auslösten. Die unterschiedlichen Aufgaben wirkten sich auf die Hirntätigkeit aus: Lösten die Beteiligten die Signale selbst aus, so sank die Sauerstoffkonzentration des Blutes in den Hirnregionen, die Zentren zur Verarbeitung visueller und akustischer Reize umfassen. „Offenbar muss das Gehirn weniger arbeiten, wenn wir das Auftreten eines Tons oder Punkts auf dem Bildschirm vorhersagen können“, konstatiert Straube. „Um erfolgreich mit der Umwelt zu interagieren, ist es unverzichtbar, die eigenen Handlungen und die durch sie hervorgerufenen Sinneseindrücke wahrzunehmen“, erläutert Straube.

Die Folgen der eigenen Handlungen seien in hohem Maße vorhersehbar. Ihre Verarbeitung erfordere daher weniger Energie als die von anderen Ereignissen, die ohne unser Zutun stattfinden. Doch genau diese für gesunde Menschen selbstverständlichen Prozesse, die in Sekundenbruchteilen im Hirn ablaufen, sind bei psychisch Kranken häufig gestört.  Deswegen wollen die Forscher nun in weiteren Studien testen, wie die Wahrnehmung der an Schizophrenie erkrankten Patienten funktioniert. Dazu wurde beim Antrag auf eine Heisenberg-Professur (siehe Kasten links unten) ein DFG-Projekt bewilligt. Die These der Forscher lautet, dass bei diesen Patienten die vom Gehirn getroffenen Vorhersagen weniger gut funktionieren. Die mangelnden Verknüpfungen und fehlerhafte Kommunikation zwischen einzelnen Hirnregionen könnten mögliche Ursachen für die unzureichenden Verarbeitungsmechanismen bei psychiatrisch Erkrankten darstellen.

von Manfred Hitzeroth 

Wie nehmen Menschen die Welt wahr?

Die Marburger Studie ist ein Bestandteil des Sonderforschungsbereichs „Kardinale Mechanismen der Wahrnehmung“.

Wie öffnen uns unsere Sinne die Fenster zur Welt? Das ist die übergeordnete Frage, auf die in dem im April 2014 eingerichteten Sonderforschungsbereich Antworten gesucht werden: Die Bandbreite der Einzelprojekte reicht von der Untersuchung der Augenbewegungen über das Blick- und Greifverhalten von Säuglingen bis hin zum Ursprung von Farbkategorien und deren Auswirkungen auf die Wahrnehmung.

In diesem SFB sollen die Vorhersage, die Bewertung und die Kategorisierung der Wahrnehmung untersucht werden. „Wahrnehmung ist der Prozess, der Informationen interpretiert und aus ihnen Sinn macht“, erläutert Professor Karl Gegenfurner (Gießen), der SFB-Sprecher. Wie nehmen wir die Welt wahr? In welche Kategorien teilen wir anhand unserer Wahrnehmungen die Welt ein? Wie leitet das menschliche Gehirn aus Eingangssignalen eine übergeordnete Bedeutung ab? Umweltmodelle, die im Gehirn angepasst und verbessert werden, sowie mögliche Risiken und Nutzen von Reizen und Reaktionen stehen ebenfalls im Fokus der Forscher. Geplant ist, die Erkenntnisse zu den Grundlagen des Gehirns zu identifizieren und ihre Funktionsweise in mathematische Modelle zu übersetzen.

So kooperieren die Wissenschaftler auch mit Experten aus der Robotik aus Darmstadt  und Frankfurt. Deren Interesse wäre es, das Verhalten von Roboter-Modellen aufgrund der Erfahrungen der Vorhersage von menschlichen Handlungen zu verbessern. Denkbar ist es aber auch, die Funktionsweisen von Prothesen zu erweitern und so noch lebensechter zu gestalten. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert den Sonderforschungsbereich der Unis Marburg und Gießen finanziell.

von Manfred Hitzeroth

Zur Person

Zur Person

Dr. Benjamin Straube (35) wurde in Paderborn geboren. Er studierte bis 2005 Psychologie in Saarbrücken und promovierte 2008 an der Hochschule in Aachen zum Thema Gedächtnisprozesse bei der Sprach-Gestik-Verarbeitung. Nach einem Forschungsaufenthalt in den USA setzte Straube 2009 seine Arbeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachbereich Medizin der Philipps-Universität in der Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie fort. 2014 habilitierte er im Fachgebiet Experimentelle Neurowissenschaften. Seit 2016 ist er Heisenberg-Professor an der Uni Marburg.

Dr. Bianca van Kemenade (29) wurde in Leiden (Niederlande) geboren. Sie ist seit April 2014 wissenschaftliche Mitarbeiterin im Sonderforschungsbereich „Kardinale Mechanismen der Wahrnehmung“ an der Uni Marburg. Zuvor absolvierte sie ein Bachelor-Studium der Naturwissenschaften in Utrecht und schloss ein Masterstudium in Hirnforschung in London und Paris ab. Es folgte die Dissertation zur Wahrnehmung von bewegten Reizen an der Humboldt-Universität Berlin.

Hintergrund: Heisenberg-Professur

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat Ende 2016 den Antrag auf eine Heisenberg-Professur für Translationale Bildgebung in der Medizin mit dem Schwerpunkt Handlung und Wahrnehmung an der Marburger Uni-Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie von Dr. Benjamin Straube bewilligt. Angetreten hatte er die Stelle am 1. September 2016. Straube verknüpft mit seinem Forschungsschwerpunkt neurowissenschaftliche Grundlagenforschung über Handlungs- und Wahrnehmungsprozesse mit der Erforschung psychiatrischer Erkrankungen. Die Erkenntnisse aus Straubes Forschung sollen in die klinische Praxis umgesetzt werden und so langfristig für eine verbesserte Diagnostik und Behandlung genutzt werden. So sind beispielsweise die Symptome der Schizophrenie – Halluzinationen oder Ich-Störungen – zumindest teilweise auf eine gestörte Handlungs-Wahrnehmungs-Kopplung zurückzuführen. „Das Themengebiet ist deswegen sehr relevant, weil die Grundlagen dieser Beeinträchtigungen noch unzureichend verstanden sind“, erklärt Straube.

Der 35-jährige Wissenschaftler soll mit seiner Heisenberg-Professur an der Uni Marburg die experimentellen, klinischen und kognitiven Neurowissenschaften zusammenführen und dazu beitragen, Wege für neue und interdisziplinäre Verbundprojekte zu ebnen.
Das Heisenberg-Programm fördert Wissenschaftler, die sich durch exzellente Forschung hervorgehoben und für die Berufung auf eine unbefristete Professur qualifiziert haben. Die Heisenberg-Professuren werden über einen Zeitraum von fünf Jahren – mit einer Zwischenevaluation nach drei Jahren – gefördert. Sie bereiten auf eine wissenschaftliche Leitungsposition vor und bieten bei Bewährung des Kandidaten die verlässliche Aussicht auf eine unbefristete Professur.

Benannt sind die Professur und das Programm nach dem deutschen Physiker Werner Heisenberg (1901 bis 1976),  der mit 31 Jahren den Nobelpreis für Physik erhielt. Voraussetzung für die Verleihung des Titels „Heisenberg-Professur“ ist, dass die Professuren eine strukturelle Weiterentwicklung für die Universität darstellen und nach der Förderphase in den regulären Etat überführt werden.