Jeder, der gelernt hat, ein Musikinstrument zu spielen, weiß, dass die Übersetzung von Noten auf einem Blatt in Fingerbewegungen zunächst mühsam ist, aber mit der Zeit allmählich automatischer wird. Dieses weithin geschätzte Merkmal des motorischen Lernens wurde 1967 von Paul Fitts und Michael Posner beschrieben. In einem Buch mit dem Titel Human Performance schlugen die bekannten Psychologen drei Phasen des motorischen Lernens vor: eine kognitive Phase, eine assoziative Phase und eine autonome Phase.
In der ersten Stufe sind Bewegungen langsam, inkonsistent und ineffizient, und große Teile der Bewegung werden bewusst gesteuert. In der zweiten Stufe werden Bewegungen flüssiger, zuverlässiger und effizienter, und einige Teile der Bewegung werden automatisch gesteuert. Und in der dritten Stufe sind Bewegungen genau, konsistent und effizient, und die Bewegung wird weitgehend automatisch gesteuert. Es war jedoch nicht genau klar, wie sich die verschiedenen Stadien des motorischen Lernens auf neuronale Systeme im Gehirn abbilden.
In einer in dieser Ausgabe von PLOS Biology veröffentlichten Studie kombinierten Nicolas Schweighofer von der University of Southern California und Hiroshi Imamizu von der University of Tokyo Computermodellierung mit verhaltens- und funktionellen Magnetresonanztomographiedaten (fMRT), um eine gehirnweite Karte von motorischen Erinnerungen mit unterschiedlichen Zeitskalen zu erstellen (Abb. 1). Den Autoren zufolge werfen die Ergebnisse ein neues Licht auf eine klassische psychologische Theorie und könnten möglicherweise verwendet werden, um Strategien für die Rehabilitation motorischer Fähigkeiten nach Hirnschäden zu verbessern.
Lernen findet in verschiedenen Hirnregionen zu unterschiedlichen Zeitskalen statt. Die vier Felder in der Abbildung stellen Zeitkonstanten dar, die die Geschwindigkeit von Änderungen charakterisieren. Bildnachweis: Hiroshi Imamizu.
In der neuen Studie führten 21 gesunde Freiwillige visuell-motorische Anpassungsaufgaben durch, während ihre Gehirnaktivität mit fMRT gemessen wurde. Zu Beginn jeder Studie erschien ein weißes Kreuz (Cursor) in der Mitte des Bildschirms, und die Probanden manipulierten dann einen Joystick, um den Cursor zu einem roten oder blauen Kreis zu bewegen, der oben auf dem Bildschirm erschien. Es gab jedoch ein visuell-motorisches Missverhältnis: Der Cursor wurde um 40 Grad relativ zur tatsächlichen Bewegungsrichtung gedreht. Im Laufe der Zeit lernten die Probanden, sich an diese Drehung anzupassen, indem sie die Joystickbewegung in die entgegengesetzte Richtung einstellten.
Die Verhaltensdaten zeigten mehrere Stadien des motorischen Lernens, wobei eine schnelle Anpassung innerhalb von Blöcken von neun Versuchen und eine langsame Anpassung über die Blöcke hinweg auftraten. Die Forscher entwickelten dann ein Modell, um zu bestimmen, welche neuronalen Systeme an den verschiedenen Phasen des motorischen Lernens beteiligt waren. Sie fanden heraus, dass schnelles Lernen innerhalb von fünf Sekunden mit Aktivität in frontalen und parietalen Hirnregionen verbunden war. Im Gegensatz dazu war ein mittleres Lernen zwischen zwei Minuten und etwa anderthalb Stunden mit einer Aktivität im vorderen Bereich des unteren Parietallappens verbunden. Die langsamste Lernphase, die sich über Stunden entfaltete, war mit Aktivität in den vorderen bis medialen Teilen des Kleinhirns verbunden — einer Gehirnregion, die eine wichtige Rolle bei der motorischen Kontrolle spielt.
Diese Ergebnisse stimmen mit früheren Untersuchungen überein, die zeigen, dass frontale Regionen an frühen Lernstadien von Aufmerksamkeit, Erregung, visueller Bewegungsanalyse, räumlichem Arbeitsgedächtnis, Gedächtnis von Handbewegungen und Bewegungsplanung beteiligt sind. In ähnlicher Weise ist bekannt, dass parietale Regionen eine Rolle in frühen Lernstadien der mentalen und visuell-motorischen Rotation spielen. Zusammengenommen legen die Ergebnisse nahe, dass die anfänglichen kognitiven und assoziativen Phasen des motorischen Lernens frontale und parietale Hirnregionen rekrutieren, während das späte Stadium des autonomen Lernens vom anterior-medialen Kleinhirn abhängt. Durch die Kombination mehrerer komplementärer Techniken lieferten die Forscher tiefere Einblicke in eine klassische und einflussreiche psychologische Theorie, die vor einigen Jahrzehnten vorgeschlagen wurde.