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Am 20.5. in Nature: "Non-commutativity in the brain"

19.05.1999 - (idw) Universitätsklinikum Tübingen

Wissenschaftler der Neurologischen Universitätsklinik Tübingen konnten zeigen, daß das menschliche Gehirn nicht-kommutative Verarbeitungsschritte durchführen kann.

Tübingen, 19.5.1999, Sperrfrist bis 19.00 Uhr

Ob man 5+2 rechnet oder 2+5, macht im Endresultat keinen Unterschied. Man nennt diese Eigenschaft bestimmter Rechenarten, bei denen die Reihenfolge keine Rolle spielt, in der Mathematik "Kommutativität". Das gleiche gilt, wenn man sich im Stehen zunächst um 90° nach rechts und dann um 180° nach rechts, oder erst um 180° und dann um 90° dreht. In beiden Fällen hat man sich am Ende der Drehungen um 270° nach rechts gedreht. Dies zeigt, daß Drehungen, wenn sie um dieselbe Achse erfolgen (eindimensional), ebenfalls kommutativ sind. Da man bis vor wenigen Jahren Hirnfunktionen im allgemeinen und Körperbewegungen im besonderen meist nur in einer Dimension untersuchen konnte, ging man bisher stillschweigend davon aus, daß auch alle Hirnprozesse kommutativ ablaufen. Auf dieser Vorstellung beruhen auch die meisten mathematischen Modelle, die versuchen, Hirnfunktionen zu beschreiben.

Nun ist in der Physik und Mathematik aber seit langem bekannt, daß Drehungen, wenn sie nicht um dieselbe Achse erfolgen, nicht-kommutativ sind. Das heißt, daß zwei Drehungen um unterschiedliche Achsen, wenn die Reihenfolge der Drehungen verändert wird, zu verschiedenen Endpositionen führt. Dies läßt sich leicht verdeutlichen, wenn man einen beliebigen Gegenstand (zum Beispiel eine Schachfigur) aus derselben Ausgangslage zunächst 90° um eine vertikale Achse nach rechts und dann 90° um eine horizontale Achse im Uhrzeigersinn, bzw. erst um eine horizontale Achse im Uhrzeigersinn und dann um eine vertikale Achse nach rechts dreht. Die Gesamtdrehung der Figuren führt zu unterschiedlichen Endstellungen.

Da wir in der Lage sind, zum Beispiel unseren Kopf oder unsere Extremitäten um nahezu beliebige Achsen in beliebiger Reihenfolge zu bewegen, ist eine entscheidende Frage, ob das Gehirn, entgegen den bisherigen gängigen kommutativen Modellen der Hirnfunktion, in der Lage ist, die dafür erforderlichen nichtkommutativen Verarbeitungsschritte durchzuführen. Mittels eines einfachen Experimentes konnten der kanadische Mathematiker und Mediziner Prof. Douglas Tweed, sowie der Tübinger Neurologe PD Dr. Michael Fetter und der Physiker Dr. Thomas Haslwanter zeigen, daß das Gehirn tatsächlich zu einer solchen Leistung in der Lage ist. Sie haben freiwillige Versuchspersonen im Dunkeln um verschiedene Achsen in unterschiedlicher Reihenfolge gedreht, während die Versuchspersonen versuchten, einen zuvor sichtbaren raumfesten Fixierpunkt während der Rotationen im Dunkeln weiter anzusehen, also ihre Blicklinie im Raum stabil zu halten (sogenannter vestibulo-okulärer Reflex). Das Gehirn berechnete dabei sehr korrekt die erforderliche Augenpositionssignale im Kopf, wie man es von einem nicht-kommutativen System erwarten würde. Man würde nach dieser grundlegenden Entdeckung nun auch annehmen, daß andere Kontrollsysteme des Gehirns, zum Beispiel für Kopf- oder Gliedmaßenbewegungen, aber auch unser Seh- und Hörsystem sowie höhere Hirnprozesse, wie zum Beispiel die Vorstellung von Drehungen von Gegenständen im Raum nicht-kommutative Verarbeitungsprozesse benutzen. Dies wollen die Tübinger Wissenschaftler in weiteren Experimenten untersuchen. Dabei soll unter anderem durch die Untersuchung von Patienten mit umschriebenen Schädigungen bestimmter Gehirnteile, wie zum Beispiel des Kleinhirnes, herausgefunden werden, wo diese Verarbeitungsprozesse stattfinden.

Ansprechpartner für nähere Informationen:

Universitätsklinikum Tübingen, Neurologische Universitätsklinik
PD Dr. med. Michael Fetter
Hoppe-Seyler-Straße 3, 72076 Tübingen
Tel. 0 70 71 / 29-8 04 45, Fax 0 70 71 / 29-52 60
e-mail: michael.fetter@uni-tuebingen.de
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