Untersuchung der Hirnaktivität verschiedener Kortexareale während einer mentalen Repräsentationsleistung

Abstract

Ziel: Das Ziel der vorliegenden Studie ist es die Beta II Aktivität verschiedener Kotizes des Cerebrums während der mentalen Reproduktion eines Bewegungsvollzuges, der audio-visuell dargeboten wurde, zu analysieren.

Methoden und Geräte: Einem 25jährigen Probanden wurde fünfmalig eine Turnkombination mit musikalischer Begleitung dargeboten. Nach einer 15 minütigen Ruhephase sollten 15 Bilder der Übung chronologisch geordnet werden. Die Messung der Hirnaktivität erfolgte mittels EEG-Aufnahmen über eine Schädelhaube, welche die Elektroden nach dem 10:20 System anordnet. Neben der Kortexaktivität wurde der motorische, kognitive und der Gesamtzeitverbrauch ermittelt. Die Herzfrequenz und die Fehlerrate der Bildreihung dienten ebenfalls als Auswerteparameter.

Ergebnisse: Die EEG Signale während der Aufgabenlösung waren nur zu 44% valide. Der Proband war in der Lage zwei der 15 Bilder korrekt zuzuordnen. Erhöhte Beta II Aktivität zeigten das visuelle und das auditive Zentrum. Frontale, präfrontale, motorische und parietale Rindenfelder waren hingegen stets unter der Ruhe-Referenzaktivität. Weiterhin konnte eine leichte Dominanz der linken Hemisphäre sowie die Erhöhung der Herzfrequenz bei der mentalen Gedächtnisleistung festgestellt werden.

Schlussfolgerungen: Die hohe Fehlerrate und die niedrigen Aktivitäten in der Majorität der Kortexareale ist ein Indiz dafür, dass hohe mentale Reproduktionsleistungen von ausreichender kortikaler Vernetzung der einzelnen Informationszentren abhängen.

Schlüsselwörter: EEG, Gehirnaktivität, mentale Reproduktion

Einleitung

Es liegt in der Natur des Menschen sein Wissen über die Funktionsweisen, Zusammenhänge und Phänomene alles Irdischen und Überirdischen ständig zu erweitern. Jene Prämisse lässt sich insbesondere bei der Erforschung des eigenen Körpers nachweisen. Archäologische Funde zeigen in diesem Zusammenhang, dass auch das menschliche Haupt als Untersuchungsgegenstand in früherer Zeit diente. Mittels Bohrungen in die Schädeldecke haben präzivilsatorische Gemeinschaften vor etwa 7000 Jahren versucht erste Erkenntnisse über das Innere des Kopfes zu erwerben. Rund 4500 Jahre später beschrieb der griechische Arzt Hippokrates das Gehirn als Sitz der sensationellen Wahrnehmung und Intelligenz (vgl. Bear et al., 2007). Nach heutigem Erkenntnisstand besteht das Zentralnervensystem (ZNS) aus mehr als 100 Billionen Neuronen, die in komplexen Netzwerken interagieren, um Stimuli aus der Umwelt oder aus dem eigenen Körper aufzunehmen und adäquates Verhalten auszulösen (vgl. Wilmore et al., 2008).

Der cerebrale Kortex ist in diesem Kontext mit hohen nervösen Aktivitäten assoziiert. In jenem Areal kommt es zur Wahrnehmung und Interpretation sensorischer Informationen, zur bewussten Entscheidungsfindung sowie zur Kontrolle volitiver motorischer Handlungen (vgl. Latash, 1998). Die Einteilung des Cerebrums in vier äußere Lappen und einem inneren Kern^[1] dient der Beschreibung funktioneller Zuständigkeiten (vgl. Wilmore et al., 2008):

1 Frontallappen: Intellekt/Denkprozesse und motorische Steuerung
2 Temporallappen: Auditorische Wahrnehmung und Interpretation
3 Parietallappen: Sensorische Wahrnehmung und Interpretation
4 Okzipitallappen: Visuelle Wahrnehmung und Interpretation

Während perzeptuelle Repräsentationszonen im ZNS weitgehend klar definiert sind, kann eine exakte Zuordnung von Gedächtnisinhalten in bestimmte Hirnareale aktuell noch nicht vorgenommen werden (vgl., Roediger et al., 2001). Hinsichtlich des Lernprozesses sportlicher Handlungen scheint sowohl das deklarative als auch das nondeklarative Gedächtnis Einfluss auf den angestrebten Erfolg zu haben. Laut Squire (1987) ist das deklarative Gedächtnis eher ontogenetisch determiniert und speichert Wissen über autobiographische Zusammenhänge und personenunabhängige Fakten. Im Gegensatz dazu werden im nondeklarativen Erinnerungsvermögen Informationen kodiert, die phylogenetischer Natur sind bzw. Gewohnheiten widerspiegeln (vgl. Tulving, 1993). Damit kann festgehalten werden, dass Bewegungserlernung auf Grundlage von assoziativen Vorgängen beider Gedächtnisinhaltstypen basiert, da phylogenetische bzw. automatisierte Gegebenheiten nur in Verbindung mit Wissenssequenzen aus stimuligesteuerten Erfahrungen neue Potenziale generieren.

Imaginationslernen, wie es Jeannerod (1995) beschreibt, kann im motorischen Aneignungsprozess angewandt werden. Die Erkenntnis, dass visuelle Reize bzw. Bewegungsvorstellungen zu ähnlichen Aktivierungsmustern in der Muskulatur, wie bei realen Vollzügen führt, lässt den Schluss zu, dass auch eine kortikale Erregung der entsprechenden Steuerungs- und Regelungsareale auftritt (vgl. Künstlinger, 2000).

Um das Aktivitätsverhalten des Gehirns zu evaluieren entwickelte Berger in den 1920er Jahren ein noninvasives Verfahren, welches die postsynaptischen Aktionspotenziale zwischen Neuronen messen kann (vgl. Mechau, 2001). Die Elektroenzephalographie (EEG) ist eine Methode zur Erkenntnisgewinnung hinsichtlich kollektiver elektrischer Erregung großer Gruppen von Neuronen. Die oben beschriebenen Kortizes werden dabei mit Hilfe einer Elektrodenhaube untersucht (vgl. Latash, 1998). Die gemessenen Frequenzbereiche der jeweiligen Areale variieren je nach Tätigkeitstatus von schlafend bis hoch erregt. Neben medizinischen Anwendungen finden EEG-Untersuchungen zunehmend auch in der Sportwissenschaft Berechtigung. So untersuchte Mechau (2001) Athleten während und nach körperlicher Belastung. Lardon & Polich (1996) versuchten hingegen generelle Unterschiede in der Neuronentätigkeit von Langzeitsportlern und Aktivitätsabstinenzlern zu eruieren. Ziel der vorliegenden Studie soll es sein das Beta II Frequenzverhalten verschiedener Kortexbereiche während der Reproduktion eines Bewegungsablaufes, der zuvor audio-visuell dargeboten wurde, zu analysieren.

Methoden und Geräte

Subjekt

Die Untersuchung der Hirnaktivität bei einer Gedächtnisleistung wurde an einem 25 Jahre alten, männlichen Probanden durchgeführt. Das Testsubjekt ist Studierender der Sportwissenschaft und verfügt demnach über weitreichende bewegungsspezifische Kenntnisse.

Untersuchungsablauf

Der Testperson wurde fünfmalig eine musikalisch begleitete Turnübung via Bildschirm vorgeführt. Nach einer Ruhephase von 15 Minuten, welche als Referenz zur Aktivität dienen sollte, wurde der Proband aufgefordert, die auf dem Bildschirm erscheinenden 15 Einzelbilder, der vorher gesehenen Übung, in richtiger chronologischer Folge anzuordnen. Nach einer vorgeschalteten Übungssequenz begann der Versuch. Im Anschluss an das Experiment sollte ein Fragebogen hinsichtlich intrinsischer Empfindungen und Einschätzungen im Zusammenhang mit der Untersuchung beantwortet werden.

Equipment

Die in eine Haube eingearbeiteten Elektroden messen die elektrischen Aktivitäten des Cerebrums an der Schädeldecke und versenden die aufgenommenen Signale über einen Verstärker an das verwendete CATEEM-System^[2]. Die abgeleiteten und verstärkten Signale werden anschließend auf einen Bildschirm übertragen und im Elektroenzephalogramm für den Experimentator sichtbar gemacht.

[...]

^[1] Der Kern des Cerebrums wird nicht in die folgenden Betrachtungen integriert.

^[2] CATEEM ist die Abkürzung für Computer Aided Topographical Electro Enzephalometry. Das System wurde von der Firma MediSyst GmbH produziert.