Mit Taktik zum Ziel - die Bewegungsplanung

Der Handballspieler kommt mit dem Ball auf das Tor zugelaufen. Der Torwart steht einige Meter entfernt genau vor ihm, zwei Gegenspieler kommen von rechts auf ihn zu, während ein Spieler der eigenen Mannschaft vorne links auf den Pass wartet. Was wird unser Protagonist tun? Zehntelsekunden später wissen die Zuschauer Bescheid: Mit voller Wucht schlägt der Ball ins rechte obere Toreck ein – keine Abwehrchance für den Torhüter. So spielerisch leicht es auch aussieht, um diese Aufgabe zu erledigen, hat das Gehirn des Angriffsspielers einiges an Arbeit zu leisten. Denn komplexe willkürliche Bewegungen wie ein solcher Ballwurf wollen gut geplant sein.

Bei zielgerichteten motorischen Handlungen wirken viele Gehirnareale in einer Funktionsschleife zusammen: Sie verarbeiten etliche visuelle und andere sensorische Reize — etwa Zurufe der Mitspieler oder das unangenehme Gefühl eines Muskelkaters im Arm vom gestrigen Spiel -, setzen die Einzelinformationen zu einem großen Ganzen zusammen, rufen Erinnerungen an ähnliche Situationen aus dem Gedächtnis ab, sortieren unerwünschte Handlungen aus, treffen eine Entscheidung über das Bewegungsziel, legen die am besten geeignete Strategie, um dieses zu erreichen, fest, sortieren nicht-​zielführende Handlungsoptionen aus und entwickeln unter Berücksichtigung all dieser Parameter einen Bewegungsplan, der dann im letzten Schritt von der Muskulatur in die Tat umgesetzt wird: WUMM – in die rechte obere Ecke.

Beziehungsweise vielmehr: WUMM oder tückischer Aufsetzer oder Pass zum Mitspieler. Denn Forschungsergebnisse des Deutschen Primatenzentrums in Göttingen zeigen, dass das Gehirn parallel mehrere alternative Bewegungsmuster plant, bevor es sich schließlich für eine der Optionen entscheidet.

Bei Entscheidungen über Handlungsweisen und damit auch über Bewegungsabläufe wie den eines Ballwurfs im laufenden Wettkampf spielen die Assoziationsfelder des Neocortex eine wichtige Rolle. Das sind die Teile der Großhirnrinde, die nicht direkt Input von den Sinnesorganen erhalten, sondern stattdessen Informationen aus anderen Rindengegenden bekommen und dorthin auch Befehle weitergeben. Bei der Planung von Bewegungen wirken vor allem der posteriore Parietalcortex im Scheitellappen und der präfrontale Cortex im Stirnlappen mit. Sie sind die obersten Entscheidungsebenen in der corticalen Bewegungsplanung.

Der präfrontale Cortex oder PFC, wie Fachleute gerne sagen, fungiert als Sammel– und Integrationsstelle so ziemlich aller Informationen, die für die Beurteilung einer Situation von Bedeutung sind: Er erhält Signale aus der Außenwelt des Handballspielers sowie aus seiner Innenwelt, sprich: Er ist auch stets auf dem laufenden Stand über dessen Gefühle und Motivation. Der PFC evaluiert die Informationen, wählt aus der Fülle von möglichen Verhaltensweisen und Handlungsoptionen die richtige aus und unterdrückt die restlichen.

Vermutlich ist der präfrontale Cortex auch der Gehirnteil, der beschließt, dass der Handballspieler in die rechte obere Ecke werfen wird – genau weiß man dies aber noch nicht, denn es könnten auch andere Areale oder ein ganzes Netzwerk beteiligt sein. Außerdem hilft er auch dabei mit, das Geschehen ins Gedächtnis zu übertragen und so für die Zukunft, sprich: für den nächsten Angriff oder das nächste Spiel zu nutzen.

Damit eine zielgerichtete Bewegung überhaupt geplant und der dazu notwendige räumlich-​zeitliche Ablauf von Muskelkontraktionen organisiert wird, ist aber noch eine weitere Voraussetzung nötig: Das Bewusstsein, wo der Körper ist, wo er hin will und wie er dorthin gelangt. Hier kommt der posteriore Parietalcortex ins Spiel. Seine Hauptaufgabe ist es, Informationen über die gegenwärtige Position des Körpers zu verarbeiten, die Bewegung auf ein bestimmtes Ziel hin zu lenken und dabei beispielsweise Handbewegungen und visuelle Reize aufeinander abzustimmen. Bei unserem Handballspieler heißt das: Der posteriore parietale Cortex lässt den Spieler genau einschätzen, wie weit er vom Tor entfernt steht und in welche Richtung er werfen muss. Er gibt auch den Anstoß dazu, dass der Körper den Wurf ausführt.

Ist der parietale Cortex geschädigt, wird das Handballspielen an sich so gut wie unmöglich: Ein Spieler könnte in dem Fall nicht mehr die vielen verschiedenen Reize, die auf ihn eindringen — seine Mitspieler, den Torwart, das Tor, den Ball, Zurufe, den Muskelkater und so weiter — gleichzeitig wahrnehmen, deren Bedeutung erfassen und in eine Bewegung umsetzen. Schafft er es dennoch zu werfen, würde er das Tor verfehlen: Patienten mit geschädigtem Parietalcortex schaffen es nicht einmal, Wasser aus einer Flasche in ein Glas zu gießen — selbst nach vielen Versuchen scheitern sie dabei: Es ist ihnen nicht möglich, gleichzeitig Flasche und Glas wahrzunehmen. Auch Türen zu öffnen, einen Nagel mit dem Hammer zu treffen oder einen Schraubenzieher zu benutzen, wird dann unmöglich.

Selbstverständlich spielt auch das Gedächtnis bei der Planung von Bewegungen eine wichtige Rolle: Wie eine ähnliche Situation einmal ausgegangen ist, was der Handballspieler über seine eigenen Stärken weiß und über die Schwächen der anderen Spieler, wirkt sich auf die gesamte Entscheidung aus, ob und wie eine Bewegung ausgeführt wird.

Die Assoziationsfelder des Cortex arbeiten außerdem eng mit den Basalganglien zusammen. Sie bestehen aus mehreren subcorticalen – das heißt unterhalb der Hirnrinde — liegenden Kernen. Zwar ist die Funktion der Basalganglien längst noch nicht vollständig verstanden, doch die Hirnforschung geht davon aus, dass sie bei der Selektion und Weiterverarbeitung von gerade erforderlichen Handlungsmustern maßgeblich beteiligt sind. Und damit auch an der Planung und Initiierung von motorischen Aktionen. Offenbar helfen sie dabei mit, die sensorischen Reize sowie die Gedächtnisinhalte in die richtigen Bewegungsantworten zu übersetzen.

Im Grunde genommen fungieren die Basalganglien als Filter: Unpassende Handlungsweisen selektieren sie gleich von Anfang an aus. Beispielsweise könnte es sein, dass am Spielfeldrand ein Zuschauer sitzt, der einen Hot Dog verdrückt. Selbst wenn der Handballspieler gerade furchtbaren Hunger verspürt und ihm beim Geruch des Essens das Wasser im Mund zusammenläuft, wird er trotzdem nicht das Spiel abbrechen, um dem Zuschauer den Hot Dog wegzunehmen und selbst zu essen. Das ist sicher ein extremes Beispiel, aber verdeutlicht gut, wie die Basalganglien automatische Reaktionen auf Umweltreize unterdrücken.

Umgekehrt werden sie benötigt, um beabsichtigte Bewegungen auch tatsächlich zu initiieren, also um den Bewegungsplan in die Tat umzusetzen. Dies zeigt sich bei Patienten mit Morbus Parkinson, einer Erkrankung, die mit einem Absterben von Nervenzellen in bestimmten Bereichen der Basalganglien einhergeht. Die Betroffenen leiden unter Bewegungsarmut und haben beispielsweise große Probleme, wenn sie zur Toilette wollen, auch den ersten Schritt zu tun.

Die Basalganglien bilden subcorticale Verarbeitungsschleifen, die corticale Signale verarbeiten und über den Thalamus wieder zu dem cortikalen Areal zurückprojizieren, von dem sie Input erhalten haben. Sie beeinflussen in dieser Weise fast alle Hirnareale mit Ausnahme des primären Seh– und Hörzentrums, insbesondere auch das primär motorische, das supplementär motorische und das prämotorische Areal. Diese letzten beiden Cortexregionen sind dabei sowohl an der Handlungsentscheidung, wie auch an der Bewegungsplanung beteiligt, bei der festgelegt wird, auf welche Weise die Handlung ausgeführt werden soll.

Das medial gelegene supplementär motorische Areal (SMA) und das laterale prämotorische Areal (PMA) werden manchmal als sekundärer motorischer Cortex zusammengefasst. Sie erstellen Bewegungspläné, in denen der exakte räumlich-​zeitliche Ablauf festgelegt ist, also wann welche Bewegung mit welcher Kraft ausgeführt wird. Diese Pläné speichern SMA und PMA dann ab, bis der richtige Zeitpunkt zur Umsetzung gekommen ist. Je öfter ein solches motorisches Programm ausgeführt wird, desto optimaler arbeiten die verschiedenen Muskelgruppen zusammen. Der Bewegungsplan wird also mit jedem Abruf verfeinert. Das ist eine der Ursachen dafür, warum Übung den Meister macht — auch bei einem Handballwurf.

Wie die Codierung von Parametern wie Richtung, Dauer, Stärke in SMA und PMA im Detail vonstattengeht, kann die Wissenschaft noch nicht vollständig beantworten. Versuche zeigen aber, dass die dortigen Nervenzellen bereits vor dem Beginn einer motorischen Aktion aktiv sind. Sie spielen also deshalb bei der Bewegungsplanung eine wichtige Rolle.

Die beiden Cortexbereiche übernehmen dabei offenbar leicht unterschiedliche Aufgaben, wobei auch hier noch viele Fragen offen sind. Neuere Forschungsergebnisse weisen darauf hin, dass das supplementär motorische Areal bei der Erstellung von Entwürfen für selbst generierte willkürliche Bewegungen federführend ist, wie eben dem Ballwurf. Das prämotorische Areal hingegen tritt beispielsweise verstärkt in Aktion, wenn es darum geht, mit Bewegungen auf äußere Reize zu reagieren – also etwa, um einen Ball aus der Luft zu fangen.

Der supplementär motorische Cortex ist bei einfachen Fingerbeugungen und –streckungen kaum aktiv, bei einem Ballwurf auf das Tor kommt er hingegen voll zum Einsatz, denn dort müssen viele verschiedene Muskeln in Armen, Beinen und dem Rumpf miteinander koordiniert werden. Er wird auch benötigt, um Handlungsfolgen erlernen zu können, also im Fall des Handballspielers erst plötzlich stehen zu bleiben, dann den Arm zu heben, und ihn mit dem Ball kräftig in die eine Richtung zu schleudern. Gebraucht wird das supplementär motorische Areal zudem, um komplexe Bewegungsabläufe vorzubereiten und einzuleiten. So haben Patienten, bei denen das SMA beidseits geschädigt ist, Probleme, komplexe Bewegungsabfolgen zu planen und durchzuführen.

Zu den Aufgaben des prämotorischen Areals gehört die Kontrolle von visuell geleiteten Bewegungen, etwa, wenn ein Ball auf jemanden zugeflogen kommt. Über zahlreiche Nervenbahnen eng mit den Sehzentren der Hirnrinde verbunden, transformiert und integriert er von dort kommende Informationen in motorische Programme. Heißt: Das PMA erstellt einen Bewegungsentwurf, der mit dem äußeren Reiz abgeglichen ist. Also etwa wie schnell und wie weit die Arme zu strecken und die Hände zu schließen sind, um einen von links heranfliegenden Ball zu fangen.

Doch auch hier gilt, was generell für die Neurobiologie der Bewegungsplanung gilt: Vieles ist Theorie, für die es zwar wissenschaftliche Indizien gibt, der definitive Beweis aber noch fehlt und weitere Forschungsarbeiten erforderlich sind. Fest steht aber: Beide Areale des sekundär motorischen Cortex spielen eine entscheidende Rolle, wenn es darum geht, komplexe Willkürbewegungen zu entwerfen und deren Ausführung vorzubereiten.

Das supplementär motorische und das prämotorische Areal sind eng mit dem primären Motorcortex verschaltet, der Bereich der Hirnrinde, in dem Bewegungspläné in die Tat umgesetzt werden. Der primäre Motorcortex gibt den endgültigen Befehl an das Rückenmark, die entsprechenden Muskeln zu kontrahieren und – im Beispiel des Handballers — den Wurf auszuführen. Ob das Bewegungsziel, der Torerfolg, mit diesem Bewegungsplan erreicht wurde, wird im Gedächtnis abgespeichert und lässt sich dann beim nächsten Mal wieder heranziehen, auf dass der Torschütze ein zweites Mal trifft.

zum Weiterlesen:

• Klaes, C. et al: Choosing Goals, not Rules: Deciding among Rule-​based Action Plans. Neuron. 2011; 70 (3):536 — 548 (zum Abstract).