Neurowissenschaftler haben entdeckt, wie das Gehirn physische Aufgaben lernt, auch ohne Bewegung in der realen Welt.
Es könnte davon abhängen, den Geist an den richtigen Ausgangspunkt zu bringen und bereit zu sein, alles, was folgt, mit einem Prozess namens „mentale Probe“ perfekt auszuführen.
"Er sitzt nur da und denkt, dass es ihm immer besser geht ..."
Sowohl Psychologen als auch Sportler wissen, dass es funktioniert: Wenn wir uns vorstellen, wie wir Routinen durchlaufen, sei es Eiskunstlauf oder etwas Alltäglicheres, verbessern wir unsere Erfolgschancen.
"Mentale Probe ist verlockend, aber schwer zu studieren", sagt Saurabh Vyas, Doktorand für Bioingenieurwissenschaften an der Stanford University und Hauptautor eines neuen Artikels, der in erscheint Neuron. Das liegt daran, dass es keinen einfachen Weg gibt, in das Gehirn eines Menschen zu blicken, wenn er sich vorstellt, um einen Sieg zu rennen oder eine Leistung zu üben.
"Hier dachten wir, dass Gehirn-Maschine-Schnittstellen diese Linse sein könnten, weil sie Ihnen die Möglichkeit geben, zu sehen, was das Gehirn tut, auch wenn sie sich nicht wirklich bewegen", sagt er.
Obwohl es einige wichtige Vorbehalte gibt, könnten die Ergebnisse den Weg zu einem tieferen Verständnis der mentalen Probe weisen. Darüber hinaus glauben die Forscher, dass die Ergebnisse zu einer Zukunft führen könnten, in der Schnittstellen zwischen Gehirn und Maschine, die normalerweise als Prothese für Menschen mit Lähmungen angesehen werden, auch ein Werkzeug zum Verständnis des Gehirns darstellen, sagt Seniorautor Krishna Shenoy, Professor an der School of Engineering in Stanford und Mitglied von Stanford Bio-X und des Stanford Neurosciences Institute.
Vom Gedanken zur Tat
Die Idee für die Studie kam, als man darüber nachdachte, wie man lernt, Gehirn-Maschinen-Schnittstellen zu verwenden, um eine Aufgabe auszuführen, sagt Vyas. In einer typischen Konfiguration muss eine Person - oder sehr oft ein Affe - lernen, einen Cursor auf einem Computerbildschirm nur unter Verwendung von Aktivitätsmustern im Gehirn zu bewegen, nicht unter Verwendung von Hand- oder anderen Bewegungen. Das brachte Vyas dazu, sich zu fragen, ob das, was Menschen (oder Affen) über Gehirn-Maschine-Schnittstellen gelernt haben, sich auf ähnliche Weise wie bei einer mentalen Probe auf physische Bewegungen übertragen könnte.
"Er sitzt nur da und denkt, dass es ihm immer besser geht", sagt Vyas und bezieht sich auf einen der Affen, die er studiert hat. „Die natürliche Frage lautet: Was passiert, wenn Sie in einen anderen Kontext wechseln, in dem er jetzt tatsächlich Muskelaktivität erzeugen muss? Sehen Sie die Auswirkungen dieses Lernens in diesem neuen Kontext? “
Die kurze Antwort lautet „Ja“, mentales Lernen überträgt sich auf die körperliche Leistungsfähigkeit. Zunächst brachte Vyas zwei Affen bei, die mit Gehirn-Maschinen-Schnittstellen ausgestattet waren, um einen Cursor auf einem Computerbildschirm nur mit dem Verstand von einem Ort zum anderen zu bewegen würde es jetzt in einem Winkel bewegen, sagen wir 45 Grad im Uhrzeigersinn.
Die Affen konnten sich leicht anpassen, und diese Anpassung wurde fortgesetzt, als sie dieselbe Aufgabe mit ihren Händen und nicht mit der Schnittstelle zwischen Gehirn und Maschine wiederholten, um den Cursor direkt zu steuern. Wenn die Affen nun den Cursor nach oben bewegen wollten, bewegten sie ihre Hände um 45 Grad im Uhrzeigersinn.
Dies deutete darauf hin, dass die Affen so etwas wie eine mentale Probe machten, sagt Vyas - was sie in ihrem Kopf gelernt hatten, konnten sie dann mit ihren Händen tun.
Einige zusätzliche Experimente und eine Analyse der aufgezeichneten neuronalen Aktivität legen den Grund nahe: Wenn die Aufgabe mit einer Gehirn-Maschinen-Schnittstelle einstudiert wird, werden Aktivitätsmuster im Gehirn der Affen genau an die richtige Stelle gebracht, sodass sie dieselbe Rotationsaufgabe mit ihrer ausführen können Hände, obwohl sie es noch nie getan hatten.
"Ein neues Werkzeug"
„Es gibt wesentliche Unterschiede zwischen unserem Paradigma und der tatsächlichen mentalen Probe“, sagt Vyas, und es gibt Gründe, vorsichtig zu sein, wenn die Ergebnisse zu weit ausgelegt werden.
Zum einen kann man einen Affen nicht einfach bitten, sich vorzustellen, eine körperliche Aktivität auszuführen, wie man es mit einer Person tun könnte. Zum anderen ist das geistige Üben einer Aufgabe nicht dasselbe wie das Verwenden einer Gehirn-Maschinen-Schnittstelle, um dies zu tun. Im letzteren Fall erhalten die Leute Feedback zu ihrer Arbeit, was sie sich nur bei einer mentalen Probe vorstellen können.
"Wir können die Verbindung nicht zweifelsfrei beweisen", sagt Shenoy, "aber dies ist ein wichtiger Schritt, um zu verstehen, was für eine mentale Probe in uns allen steckt."
Die nächsten Schritte, so Vyas und er, bestehen darin, herauszufinden, wie sich mentale Probe auf das Üben mit einer Gehirn-Maschinen-Schnittstelle bezieht - und wie sich mentale Vorbereitung, die Schlüsselzutat für die Übertragung dieser Übung auf physische Bewegungen, auf Bewegung bezieht.
Unterdessen, sagt Shenoy, zeigen die Ergebnisse das Potenzial eines völlig neuen Werkzeugs zur Erforschung des Geistes. "Es ist, als würde man ein neues Werkzeug bauen und es für etwas verwenden", sagt Shenoy. "Wir haben eine Gehirn-Maschine-Schnittstelle verwendet, um die Grundlagenforschung zu untersuchen und voranzutreiben, und das ist einfach super aufregend."
Die Finanzierung der Studie erfolgte durch die National Institutes of Health, die National Science Foundation, ein Ric-Weiland-Stanford-Graduiertenstipendium, ein Bio-X-Bowes-Stipendium, die ALS Association, die Defense Advanced Research Projects Agency, die Simons Foundation und Howard Hughes Medizinisches Institut.
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