Forschungsprojekte

Assessment of parallel movement plans by probing spatial attention

2019-2022
Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (Deutschland)
Projektleiter: Christian Seegelke, Tobias Heed
Projektmitglieder: N.N.

Unser Umfeld bietet uns eine Vielzahl an Handlungsmöglichkeiten und wir müssen aus allen potentiellen Handlungen stets eine auswählen und die entsprechenden Bewegungsparameter spezifizieren. Empirische Befunde legen nahe, dass unser Gehirn gleichzeitig mehrere Handlungspläne vorbereitet und die Handlungsauswahl das Resultat eines kontinuierlichen Wettbewerbs zwischen diesen Plänen ist, welcher „top-down“ durch entscheidungsrelevante Informationen beeinflusst werden kann.

Es wird jedoch aktuell diskutiert welche Aspekte dieser Handlungspläne parallel repräsentiert werden. Trajektorien von Handbewegungen reflektieren oft eine Mittelung aus den direkten Trajektorien zu mehreren aktuell relevanten Zielpositionen. Eine Erklärung hierfür ist, dass die ausgeführte Bewegung aus einer Mittelung individueller Bewegungspläne resultiert. Dieser Ansatz nimmt an, dass alle Aspekte der unterschiedlichen Handlungen parallel repräsentiert werden. Allerdings beeinflussen strategische Aspekte dieses Verhalten. Beispielsweise beobachtet man diese gemittelten Bewegungstrajektorien seltener, wenn die Zielpositionen weit auseinander liegen oder die Bewegungen schnell ausgeführt werden müssen. Das Verwenden solcher Strategien wird als Indiz betrachtet, dass Bewegungspläne nicht automatisch gemittelt werden, sondern dass nur ein einziger Bewegungsplan erstellt wird, der die Leistung optimiert. Dieser alternative Ansatz geht daher davon aus, dass lediglich Bewegungsziele parallel repräsentiert werden, nicht aber Bewegungspläne, die bestimmte Bewegungsaspekte wie zum Bespiel die Trajektorie, spezifizieren.

Mit der im Antrag vorgeschlagenen Experimentalserie adressieren wir die Fragestellung, ob mehrere Bewegungspläne (und nicht nur Bewegungsziele) parallel aktiviert werden können. Hierfür nutzen wir den gut untersuchten Zusammenhang zwischen Aufmerksamkeit und Handlungsplanung. Unsere Aufmerksamkeit verschiebt sich schon vor Bewegungsausführung auf ein oder sogar mehrere sequentielle Zielpositionen, was sich in einer erhöhten perzeptuellen Diskriminationsleistung an diesen Positionen im Vergleich zu bewegungsirrelevanten Positionen, niederschlägt. Wir erweitern diesen experimentellen Ansatz um die parallele Repräsentation mehrerer Bewegungsziele während der Planung von Handbewegungen zu untersuchen. Ein entscheidender Aspekt dieses Ansatzes ist es, dass wir die Aufmerksamkeitsverteilung an kritischen Punkten der Bewegungstrajektorien (wie z. B. in der Nähe von Hindernissen) testen. In einem zweiten Ansatz induzieren wir mehrere potentiell relevante Trajektorien mittels eines motorischen Adaptationsparadigmas. Schließlich befassen wir uns mit „top-down“ Aspekten der Bewegungsplanung, um aufzuzeigen, wie sich solche Aspekte auf die Mittelung von „bottom-up“ sensorischen Informationen auswirken. Die vorgeschlagenen Experimente werden einen substantiellen und überzeugenden Betrag liefern, welche Aspekte der Handlungsplanung parallel repräsentiert werden.

Dynamische Codierung taktil-motorischer Transformationen im posterioren Parietalcortex von Mensch und Makake

2019-2022
Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (Deutschland) und Agence Nationale de la Recherche (Frankreich)
Projektleiter: Tobias Heed, Suliann Ben Hamed
Projektmitglieder: N.N.

Der posteriore Parietalcortex (PPC) ist maßgeblich an sensomotorischen Transformationen beteiligt. Jedoch ist unklar, wie er zu auf den eigenen Körper gerichteten Bewegungen beiträgt. Das vorliegende Projekt untersucht die Implementierung zielgerichteter, taktil-motorischer Handlungen im PPC von Menschen und Makaken. Die Projektziele sind (i) die Identifikation der hierbei involvierten PPC-Areale sowie (ii) der von ihnen verwendeten räumlichen Codierungen, und (iii) die Charakterisierung der Dynamik innerhalb und zwischen Arealen, die in Abhängigkeit des zu verwendenden Effektors taktile Informationen von der Haut in den Raum umcodieren. Die drei Hauptansätze sind (a) die Durchführung homologer, direkt verknüpfbarer Experimente in den beiden Spezies über verschiedenen Methoden (fMRT, Verhalten, Neurophysiologie); (b) die Untersuchung taktilen Verhaltens über zwei Effektorsysteme (Sakkaden, Armbewegungen), um gemeinsame und spezialisierte Verarbeitungsmechanismen zu identifizieren; und (c) die Ergänzung dieser speziesübergreifenden Experimente durch spezifische Paradigmen im Menschen, wo ein direkter Vergleich zwischen Spezies nicht möglich ist.

Die projektübergreifenden Hypothesen sind, dass (1) in Mensch und Makake taktil geleitete Bewegungen gemeinsamen Verarbeitungsprinzipien unterliegen, (2) posteriore Regionen, die gegenwärtig mit augenzentrierter Codierung assoziiert werden, diese Codierung über alle sensorischen Modalitäten hinweg nutzen, (3) anteriore Regionen hierzu hingegen eine haut- oder körperteilbezogene Codierung nutzen, und (4) alle Regionen gemeinsam sensorische Informationen dynamisch in einen motorischen, zielbezogenen Code transformieren.

Der übergeordnete wissenschaftliche Beitrag des Projekts ist die Erweiterung der Konzepte rein visuo-motorischer Kontrolle auf das taktile System als ein erster Schritt hin zur Integration von Körper und Selbst in Modelle sensomotorischer Kontrolle. So sollen neue Perspektiven zum Verständnis der funktionalen und anatomischen Organisation des PPC eröffnet werden.

Sensomotorische Verarbeitung und Koordinatentransformationen im menschlichen Gehirn

2012-2019
Förderung: Emmy Noether Programm der Deutschen Forschungsgemeinschaft
Projektleiter: Tobias Heed
Projektmitglieder: Janina Brandes
Frühere Projektmitglieder: Phyllis Mania

Ziel dieses Projekts ist, zwei Forschungsgebiete zu verbinden, die bislang zumeist separat untersucht worden sind: Berührungswahrnehmung und Armbewegungen. Wenn wir eine Berührung wahrnehmen, wissen wir zunächst, wo sie auf der Haut stattgefunden hat. Weil unsere Körperteile aber beweglich sind, müssen wir unsere Körperhaltung berücksichtigen, wenn wir auf die Berührung reagieren wollen.

Stellen Sie sich vor, Sie sitzen bei einem Picknick im Park. Sie bemerken, dass etwas auf Ihrer linken Hand krabbelt. Wenn Sie schauen wollen, was das ist, oder wenn sie es wegwischen wollen, macht es einen großen Unterschied, ob Ihre linke Hand hinter Ihrem Rücken ist, weil Sie sich darauf stützen, oder ob sie gerade einen Teller vor ihrem Körper hält. Ihre Bewegungen zu der Berührung hin sind je nach Situation sehr verschieden.

Wenn wir solche Bewegungen ausführen, fühlen wir, wie unser Körper sie ausführt, und kontrollieren zugleich, ob wir unser Ziel auch wirklich erreichen. Die Körperhaltung für beides, Berührungswahrnehmung und Bewegungen, daher ein zentraler Aspekt. In unserem Projekt untersuchen wir, wie die Körperhaltung Berührungen und Armbewegungen, je für sich genommen, beeinflusst. Unser eigentliches Ziel ist aber zu verstehen, wie die beiden Funktionen koordiniert werden, wie das Gehirn also Eregnisse am eigenen Körper wahrnimmt und dann Bewegungen dorthin plant und ausführt.

Intelligent Coaching Space (ICSPace)

2016-2017
Förderung: Citec (Exzellenzcluster "Kognitive Interaktionstechnologie”), projekt ICSPace (“Intelligent Coaching Space")
Projektleiter: Mario Botsch, Thomas Schack, Stefan Kopp, Tobias Heed
Aktuelle Projektmitglieder: Marie Martel

Das Ziel dieses Projekts ist die Expertise aus Informatik, Sportwissenschaften, Linguistik und Psychologie zusammenzubringen, um intelligente Coaching-Ansätze für Sport, motorisches Lernen und Rehabilitation zu entwickeln. Das Projekt entwickelt hierzu ein virtuelles Trainingsumfeld. Unsere Gruppe erschließt momentan neue Möglichkeiten, diese Forschung für Trainings mit Kindern und Jugendlichen zu erweitern.