Journal für Hirnforschung.

Founded and -1960 edited by C. Vogt and O. Vogt.

Training-induced modifications of corticospinal reactivity in severely affected stroke survivors

When permitted access to the appropriate forms of rehabilitation, many severely affected stroke survivors demonstrate a capacity for upper limb functional recovery well in excess of that formerly considered possible. Yet, the mechanisms through which improvements in arm function occur in such profoundly impaired individuals remain poorly understood. An exploratory study was undertaken to investigate the capacity for brain plasticity and functional adaptation, in response to 12-h training of reaching using the SMART Arm device, in a group of severely affected stroke survivors with chronic upper limb paresis. Twenty-eight stroke survivors were enroled. Eleven healthy adults provided normative data. To assess the integrity of ipsilateral and contralateral corticospinal pathways, transcranial magnetic stimulation was applied to evoke responses in triceps brachii during an elbow extension task. When present, contralateral motor-evoked potentials (MEPs) were delayed and reduced in amplitude compared to those obtained in healthy adults. Following training, contralateral responses were more prevalent and their average onset latency was reduced. There were no reliable changes in ipsilateral MEPs. Stroke survivors who exhibited contralateral MEPs prior to training achieved higher levels of arm function and exhibited greater improvements in performance than those who did not initially exhibit contralateral responses. Furthermore, decreases in the onset latency of contralateral MEPs were positively related to improvements in arm function. Our findings demonstrate that when severely impaired stroke survivors are provided with an appropriate rehabilitation modality, modifications of corticospinal reactivity occur in association with sustained improvements in upper limb function.

Visual target separation determines the extent of generalisation between opposing visuomotor rotations

Here we investigated the influence of angular separation between visual and motor targets on concurrent adaptation to two opposing visuomotor rotations. We inferred the extent of generalisation between opposing visuomotor rotations at individual target locations based on whether interference (negative transfer) was present. Our main finding was that dual adaptation occurred to opposing visuomotor rotations when each was associated with different visual targets but shared a common motor target. Dual adaptation could have been achieved either within a single sensorimotor map (i.e. with different mappings associated with different ranges of visual input), or by forming two different internal models (the selection of which would be based on contextual information provided by target location). In the present case, the pattern of generalisation was dependent on the relative position of the visual targets associated with each rotation. Visual targets nearest the workspace of the opposing visuomotor rotation exhibited the most interference (i.e. generalisation). When the minimum angular separation between visual targets was increased, the extent of interference was reduced. These results suggest that the separation in the range of sensory inputs is the critical requirement to support dual adaptation within a single sensorimotor mapping.

Gaze fixation improves the stability of expert juggling

Novice and expert jugglers employ different visuomotor strategies: whereas novices look at the balls around their zeniths, experts tend to fixate their gaze at a central location within the pattern (so-called gaze-through). A gaze-through strategy may reflect visuomotor parsimony, i.e., the use of simpler visuomotor (oculomotor and/or attentional) strategies as afforded by superior tossing accuracy and error corrections. In addition, the more stable gaze during a gaze-through strategy may result in more accurate movement planning by providing a stable base for gaze-centered neural coding of ball motion and movement plans or for shifts in attention. To determine whether a stable gaze might indeed have such beneficial effects on juggling, we examined juggling variability during 3-ball cascade juggling with and without constrained gaze fixation (at various depths) in expert performers (n = 5). Novice jugglers were included (n = 5) for comparison, even though our predictions pertained specifically to expert juggling. We indeed observed that experts, but not novices, juggled significantly less variable when fixating, compared to unconstrained viewing. Thus, while visuomotor parsimony might still contribute to the emergence of a gaze-through strategy, this study highlights an additional role for improved movement planning. This role may be engendered by gaze-centered coding and/or attentional control mechanisms in the brain.

Visuomotor transformation for interception:catching while fixating

Catching a ball involves a dynamic transformation of visual information about ball motion into motor commands for moving the hand to the right place at the right time. We previously formulated a neural model for this transformation to account for the consistent leftward movement biases observed in our catching experiments. According to the model, these biases arise within the representation of target motion as well as within the transformation from a gaze-centered to a body-centered movement command. Here, we examine the validity of the latter aspect of our model in a catching task involving gaze fixation. Gaze fixation should systematically influence biases in catching movements, because in the model movement commands are only generated in the direction perpendicular to the gaze direction. Twelve participants caught balls while gazing at a fixation point positioned either straight ahead or 14 degrees to the right. Four participants were excluded because they could not adequately maintain fixation. We again observed a consistent leftward movement bias, but the catching movements were unaffected by fixation direction. This result refutes our proposal that the leftward bias partly arises within the visuomotor transformation, and suggests instead that the bias predominantly arises within the early representation of target motion, specifically through an imbalance in the represented radial and azimuthal target motion.

Long-range synchronization and local desynchronization of alpha oscillations during visual short-term memory retention in children

Local alpha-band synchronization has been associated with both cortical idling and active inhibition. Recent evidence, however, suggests that long-range alpha synchronization increases functional coupling between cortical regions. We demonstrate increased long-range alpha and beta band phase synchronization during short-term memory retention in children 6-10 years of age. Furthermore, whereas alpha-band synchronization between posterior cortex and other regions is increased during retention, local alpha-band synchronization over posterior cortex is reduced. This constitutes a functional dissociation for alpha synchronization across local and long-range cortical scales. We interpret long-range synchronization as reflecting functional integration within a network of frontal and visual cortical regions. Local desynchronization of alpha rhythms over posterior cortex, conversely, likely arises because of increased engagement of visual cortex during retention.

Die Wiederentdeckung der Erziehung und ihre Infragestellung durch die Neurobiologie

Aus der Einleitung: "Das Suchen nach den Wurzeln von Sozialisation und Erziehung erlebt eine Renaissance. Wird den Beiträgen der halbaufgeklärten Boulevardpresse vertraut, dann melden sich die Eltern in ihrer Funktion als Erziehungsagentur zurück. Quasi im Rücken dieser neuen öffentlichen Präsenz der 'Erziehung' ist ein Diskurs platziert, der die Möglichkeiten von Erziehung grundsätzlich anfragt beziehungsweise mit stark biologistisch gefärbten Tönen das humanistische Bildungsprojekt der Moderne neu zu modellieren wünscht. Die Überlegungen in diesem Beitrag sind angeregt durch die öffentlichen Debatten und fragen schlicht nach den argumentativen Beschreibungsformeln, mit denen erstens gegenwärtig das Nachdenken über Erziehung neu angeregt wird, zweitens die Gehirnforschung, die Neurophysiologie und -biologie ihr Interesse an Phänomen des Lernen und der Bildung kommunizieren und mit denen sich drittens eine Wortmeldung prominent hervorwagt, die für eine Neubewertung des Verhältnisses von Erziehung und Genetik plädiert. Der Beitrag konfrontiert mit einem Patchwork von Impressionen, die abschließend in einem kurzen Resümee gebündelt diskutiert werden."

Viewing the body modulates tactile receptive fields

Tactile discrimination performance depends on the receptive field (RF) size of somatosensory cortical (SI) neurons. Psychophysical masking effects can reveal the RF of an idealized "virtual" somatosensory neuron. Previous studies show that top-down factors strongly affect tactile discrimination performance. Here, we show that non-informative vision of the touched body part influences tactile discrimination by modulating tactile RFs. Ten subjects performed spatial discrimination between touch locations on the forearm. Performance was improved when subjects saw their forearm compared to viewing a neutral object in the same location. The extent of visual information was relevant, since restricted view of the forearm did not have this enhancing effect. Vibrotactile maskers were placed symmetrically on either side of the tactile target locations, at two different distances. Overall, masking significantly impaired discrimination performance, but the spatial gradient of masking depended on what subjects viewed. Viewing the body reduced the effect of distant maskers, but enhanced the effect of close maskers, as compared to viewing a neutral object. We propose that viewing the body improves functional touch by sharpening tactile RFs in an early somatosensory map. Top-down modulation of lateral inhibition could underlie these effects.

Verhaltensphysiologische Analyse der visuellen Wahrnehmung räumlicher Tiefe beim Goldfisch

Die Frage, wie es zur visuellen Wahrnehmung räumlicher Tiefe kommt, wenn das Retinabild nur zweidimensional ist, gehört zu den grundlegenden Proble-men der Hirnforschung. Für Tiere, die sich aktiv in ihrer Umgebung bewegen, herrscht ein großer Selektionsdruck Entfernungen und Größen richtig einzu-schätzen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, herauszufinden, ob und wie gut Goldfische Objekte allein aufgrund des Abstandes unterscheiden können und woraus sie Information über den Abstand gewinnen. Hierzu wurde ein Ver-suchsaufbau mit homogen weißem Hintergrund entworfen, in dem die Akkom-modation als Entfernungsinformationen verwendet werden kann, weniger je-doch die Bewegungsparallaxe. Die Goldfische lernten durch operante Konditio-nierung einen Stimulus (schwarze Kreisscheibe) in einem bestimmten Abstand zu wählen, während ein anderer, gleichgroßer Stimulus so entfernt wie möglich präsentiert wurde. Der Abstand zwischen den Stimuli wurde dann verringert, bis die Goldfische keine sichere Wahl für den Dressurstimulus mehr treffen konnten. Die Unterscheidungsleistung der Goldfische wurde mit zunehmendem Abstand des Dressurstimulus immer geringer. Eine Wiederholung der Versuche mit unscharfen Stimu¬lus¬kon¬turen brachte keine Verschlechterung in der Unter-scheidung, was Akkommodation wenig wahrscheinlich macht. Um die Größen-konstanz beim Goldfisch zu testen, wurden die Durchmesser der unterschiedlich entfernten Stimuli so angepasst, dass sie für den Goldfisch die gleiche Retina-bildgröße hatten. Unter diesen Bedingungen waren die Goldfische nicht in der Lage verschieden entfernte Stimuli zu unterscheiden und somit Größenkonstanz zu leisten. Es fand demnach keine echte Entfernungsbestimmung oder Tiefen-wahrneh¬mung statt. Die Unterscheidung der verschieden entfernten Stimuli erfolgte allein durch deren Abbildungsgröße auf der Retina. Dass die Goldfische bei diesem Experiment nicht akkommodieren, wurde durch Infrarot-Photoretinoskopie gezeigt. Somit lässt sich Akkommodation für die Entfer-nungsbestimmung in diesen Versuchen ausschließen. Für diese Leistung und die Größenkonstanz ist vermutlich die Bewegungsparallaxe entscheidend.

Die Einheit des Bewusstseins und das Phänomen der Synästhesie

Synästhetiker schmecken Berührungen, sehen Farben und Formen, wenn sie Musik hören oder einen Duft riechen. Es wurden auch so außergewöhnliche Formen wie Wochentage-Farben-, Berührung-Geruch- oder Schmerz-Farben-Synästhesien gefunden. Die von Neuro- wissenschaftlern und Philosophen als „Bindung“ genannte Fähigkeit mehrere Reize, die in verschiedenen Hirnarealen verarbeitet werden, miteinander zu koppeln und zu einer einheitlichen Repräsentation bzw. erfahrenen Einheit des Bewusstseins zusammenzufassen, betrifft jeden gesunden Mensch. Synästhetiker sind aber Menschen, deren Gehirne zur „Hyperbindung“ oder zum hyperkohärentem Erleben befähigt sind, da bei ihnen wesentlich mehr solcher Kopplungen entstehen. Das Phänomen der Synästhesie ist schon seit mehreren Jahrhunderten bekannt, aber immer noch ein Rätsel. Bisher glaubten Forscher, solche Phänomene beruhten bloß auf überdurchschnittlich dichten neuronalen Verdrahtungen zwischen sensorischen Hirnregionen. Aus der aktuellen Forschung kann man jedoch schließen, dass die Ursache der Synästhesie nicht allein eine verstärkte Verbindung zwischen zwei Sinneskanälen ist. Laut eigener Studien ist der Sinnesreiz selbst sowie seine fest verdrahteten sensorischen Pfade nicht notwendig für die Auslösung des synästhetischen Erlebens. Eine grundlegende Rolle spielt dabei dessen Bedeutung für einen Synästhetiker. Für die Annahme, dass die Semantik für die synästhetische Wahrnehmung das Entscheidende ist, müssten synästhetische Assoziationen ziemlich flexibel sein. Und genau das wurde herausgefunden, nämlich, dass normalerweise sehr stabile synästhetische Assoziationen unter bestimmten Bedingungen sich auf neue Auslöser übertragen lassen. Weitere Untersuchung betraf die neu entdeckte Schwimmstil-Farbe-Synästhesie, die tritt hervor nicht nur wenn Synästhetiker schwimmen, aber auch wenn sie über das Schwimmen denken. Sogar die Namen dieser charakteristischen Bewegungen können ihre Farbempfindungen auslösen, sobald sie im stimmigen Kontext auftauchen. Wie man von anderen Beispielen in der Hirnforschung weiß, werden häufig benutzte neuronale Pfade im Laufe der Zeit immer stärker ausgebaut. Wenn also ein Synästhetiker auf bestimmte Stimuli häufig stoßt und dabei eine entsprechende Mitempfindung bekommt, kann das mit der Zeit auch seine Hirnanatomie verändern, so dass die angemessenen strukturellen Verknüpfungen entstehen. Die angebotene Erklärung steht also im Einklang mit den bisherigen Ergebnissen. Die vorliegende Dissertation veranschaulicht, wie einheitlich und kohärent Wahrnehmung, Motorik, Emotionen und Denken (sensorische und kognitive Prozesse) im Phänomen der Synästhesie miteinander zusammenhängen. Das synästhetische nicht-konzeptuelle Begleiterlebnis geht mit dem konzeptuellen Inhalt des Auslösers einher. Ähnlich schreiben wir übliche, nicht-synästhetische phänomenale Eigenschaften den bestimmten Begriffen zu. Die Synästhesie bringt solche Verschaltungen einfach auf beeindruckende Weise zum Ausdruck und lässt das mannigfaltige Erleben stärker integrieren.

Blindversuch

Blindversuch ist eine dreiwöchige performative Arbeit im Rahmen meiner plastisch-künstlerischen Arbeit, die ich im Februar 2007 durchgeführt habe. Über einen Zeitraum von drei Wochen habe ich meine Augen verschlossen und das physische Sehen eingestellt. Damit verzichtete ich freiwillig auf mein wichtigstes künstlerisches Werkzeug. Ich gab vor, blind zu sein und trug die Zeichen des Blindseins: Brille, Armbinde und einen weißen Stock. Unter der Bedingung des Nicht-Sehens und in der Begleitung von Assistenten führte ich mein Leben und Arbeiten weiter. Während dieser Zeit ersetzte ich meine visuelle Wahrnehmung durch technische Mittel. Ohne zu sehen produzierte ich mit Fotoapparat und Videokamera visuelles Material. Diese Aufnahmen entstanden infolge motorisch-akustisch-haptischer Eindrücke und situativer Reflexionen. Ergänzt werden meine Aufnahmen durch visuelles Fremdmaterial. Verschiedene Personen wurden beauftragt, mich filmisch und fotografisch zu begleiten. Auch ich selbst erstellte eine Audiodokumentation meiner Erfahrungen und Reflexionen als Nicht-Sehende: Wahrnehmung, Untersuchung und Notierung der veränderten rezeptiven Bedingungen. Es fand eine bewusste Aneignung des Raums als Nicht-Sehende statt. Dazu habe ich meine Fähigkeiten sowohl im Atelier als auch im Außenraum trainiert. Darüber hinaus wurde der Blindversuch durch das Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main wissenschaftlich begleitet.

Sind wir Menschen egoistisch oder altruistisch? Die Rolle des Gehirns bei sozialen Interaktionen

Die Fähigkeit zur Selbstkontrolle ist essentiell für ein harmonisches Zusammenleben. So müssen wir unsere Impulse häufig zurückstellen, damit etwa ein kleiner Zwist unter Kollegen nicht eskaliert, oder wir sollten manchen Versuchungen widerstehen, wenn uns an einer stabilen Partnerschaft gelegen ist. Und wer stets ausspricht, was er denkt, stellt sich damit oft selbst ein Bein. Wir sollten auch unsere egoistischen Impulse kontrollieren, um im Interesse der Gemeinschaft oder der Gruppe zu handeln. Im Vortrag wird erläutert, welche Rolle unser Gehirn dabei spielt, und wie die Hirnforschung das „Bremspedal“ im Gehirn in Experimenten testet.

Journal für Psychologie und Neurologie.

Includes section: "Referate über bücher und aufsätze."