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Das musst du wissen
- Forschende haben anhand eines dritten Daumens untersucht, wie sich das Gehirn an ein neues Körperglied anpasst.
- Kurzfristig veränderte der zusätzliche Finger die Gehirnaktivität der Probanden.
- Sie berichteten zudem, dass sich der Daumen schon nach wenigen Tagen wie ein Teil des Körpers anfühlte.
Was wäre, wenn du einen zusätzlichen Daumen an deiner rechten Hand hättest? Genau dieser verblüffenden Frage sind britische Forscher nachgegangen. Laut ihrer Studie genügen wenige Tage Training und du beginnst, den Roboterfinger zu kontrollieren. Die Forscher glauben sogar, eine Evolution des Körperschemas, also die Vorstellung des eigenen Körpers, beobachtet zu haben. Das Gehirn scheint diesen überzähligen Finger mühelos zu steuern.
Warum das interessant ist. Die Anpassung des Körperschemas ist für den Erfolg von neuen Prothesen bei Amputierten entscheidend. Die vorliegende Untersuchung liefert ein besseres Verständnis für diesen Prozess. Sie ebnet auch den Weg für die Entwicklung von technischen Verbesserungen des menschlichen Körpers, die auch für die Industrie und das Militär von grossem Interesse sind.
Ein dritter Daumen. The Third Thumb ist ein Projekt, an dem die britische Designerin Dani Clode seit 2018 arbeitet. Es handelt sich um einen mechanischen, 3D-gedruckten Daumen, der am Ende der Hand, hinter dem kleinen Finger, angebracht ist und über Bluetooth-Steuerungen unter den grossen Zehen gesteuert wird.
Dieser künstliche Daumen hat zwei Freiheitsgrade: Die Beugung und Streckung sowie die sogenannte Adduktion-Abduktion. Letzteres bedeutet den Daumen von der Handebene weg oder zu ihr hin zu bewegen. Der dritte Daumen wurde so konzipiert, dass er sich in das natürliche Repertoire der Handbewegungen einfügt.
Um die kognitiven Auswirkungen dieses Systems besser einschätzen zu können, wandte sich Dani Clode an das Plasticity Lab am University College London (UCL), das von Tamar Makin geleitet wird. Sie ist weltweit eine der führenden Forscherinnen auf dem Gebiet der Wahrnehmung und der motorischen Repräsentationen im Gehirn.
Die Studie. Die Forscher luden 24 gesunde Freiwillige ein, fünf Tage lang mit diesem Roboterfinger zu trainieren, sowohl im Labor als auch zu Hause.
- Sie wurden gebeten, Handlungen auszuführen, die normalerweise den Einsatz beider Hände erfordern, wie das Öffnen einer Wasserflasche, das Manipulieren von Bauklötzen oder das Umrühren eines Teelöffels in einer Tasse, die sie in der Hand halten.
- Zu Hause konnten sie den zusätzlichen Daumen für ihre gewohnten Aktivitäten nutzen, zum Beispiel Musizieren oder sich die Haare machen.
Gleichzeitig wurden zwölf weitere Probanden als Kontrollgruppe rekrutiert. Sie bekamen die gleichen Anweisungen wie die anderen Probanden, hatten aber keinen überzähligen Finger.
Alle Teilnehmer wurden dann durch eine Reihe von Geschicklichkeitstests in Verbindung mit bildgebenden Untersuchungen des Gehirns bewertet, um ihr mentales Körperschema zu beurteilen.
Ergebnisse. Die in der Zeitschrift Science Robotics vorgestellten Daten zeigen eine Form der «Inkorporation» des dritten Daumens, also eine Integration der Prothese in das Körperschema der Teilnehmer:
- Die Koordination der Finger der Hand wurde verändert, um den überzähligen Finger mit einzubeziehen.
- Die Geschicklichkeit verbesserte sich schnell, auch wenn die Hand verdeckt war oder der Proband eine Aufgabe unter kognitiver Belastung durchführen musste, wie zum Beispiel das genaue Bewegen von Objekten, während er ein Gedicht aufsagte.
- Die Teilnehmer berichteten auch, dass sie sich mit dem dritten Daumen «besser fühlen».
- Die Untersuchung mittels Magnetresonanztomografie (MRT) der Gehirnrepräsentation der Hand der Teilnehmer deutete ebenfalls auf Veränderungen hin, die die Forscher bei der Kontrollgruppe nicht beobachteten.
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Was kommt als nächstes? Tamar Makin erklärt den nächsten Schritt in ihrer Forschung:
«In unserem Labor arbeiten wir derzeit daran zu verstehen, wie man augmentative Geräte am besten steuern kann. Wir wollen verstehen, welche Hinweise das Gehirn aufgreifen kann, um einfaches und solides Lernen zu unterstützen.
Einer der Nachteile des dritten Daumens ist, dass er beim Gehen schwer zu bedienen ist. Deshalb sind wir auch an anderen Möglichkeiten der Steuerung interessiert, um dem Körper wirklich etwas hinzuzufügen, ohne eine andere motorische Funktion zu opfern.
Dani (Clode, Anm. d. Red.) hat ausserdem einen MRT-kompatiblen dritten Daumen entwickelt, von dem wir uns erhoffen, dass er uns einen tieferen Einblick in das ermöglicht, was in den Gehirnen unserer Teilnehmer vor sich geht, wenn sie ein Augmentationsgerät benutzen (indem sie Manipulationen in der Maschine durchführen, Anm. d. Red.).»
Expertenmeinung. Silvestro Micera, der den Bertarelli-Lehrstuhl für Translationale Neurotechnik an der EPFL innehat, findet diese Ergebnisse sehr interessant:
«Ich arbeite mit Tamar Makin zusammen, um diese Arbeit auf klinische Prothesen anzuwenden. Die Einbindung ist ein kritischer Punkt. Je mehr Probanden eine Prothese als Teil ihres Körpers betrachten, desto besser ist ihre Fähigkeit, sie zu kontrollieren.
Die eigentliche Herausforderung besteht darin, näher am realen Leben zu sein, aus dem Labor herauszukommen. Die Tests mit der kognitiven Belastung sind in diesem Punkt sehr interessant.»
Steuern wir auf einen dritten Daumen für alle zu?
«Nein, für Prothesen werden wir in ein paar Jahren Anwendungen haben, wenn längerfristige Studien durchgeführt worden sind. Aber für augmentative Anwendungen steht die Forschung erst am Anfang. Diese Ansätze werfen viele Fragen auf, sowohl biologische als auch philosophische, denn wenn wir alle zwei Arme haben, was passiert, wenn wir anfangen, einen dritten zu benutzen?
Die Sichtweise hat sich jedoch geändert. Das mechanische Glied wurde in der Fiktion immer mit negativen Charakteren assoziiert, wie dem Superschurken Dr. Octopus. Allerdings habe ich kürzlich in einem italienischen Comic Mickey Mouse mit einem dritten Arm gesehen.»
Die Herausforderungen. Diese Fragen sind für die Medizin von grossem Interesse. Sie erlauben, das Design und die Komplexität von Prothesen zu verbessern, die Menschen nach einer Amputation angeboten werden.
Augmentierte Prothesen wecken auch ein militärisches Interesse, wie eine Stellungnahme der Ethikkommission der französischen Armee zeigt.
Die Industrie wird auch eine treibende Kraft bei der Entwicklung von augmentierten Systemen sein, um die Plackerei bei bestimmten Arbeiten zu reduzieren oder die Geschicklichkeit von Feinmechanikern zu verbessern.