Expertise bei der Antizipation sportmotorischer Handlungseffekte : neuronale Aktivierung motorik-relevanter Gehirnareale

Abstract

Was unterscheidet einen Experten einer Sportart von einem Anfänger? Neben Aspekten wie den physischen Voraussetzungen und dem taktischen Wissen spielt in vielen Sportarten vor allem auch die Fähigkeit eine Rolle, Ereignisse unter Zeitdruck möglichst früh zu antizipieren, um auf diese Weise mehr Zeit für die eigene motorische Antwort zu erlangen. Dass die Antizipation einen bedeutsamen Aspekt der Expertise von Athleten darstellt, konnte die Expertiseforschung mit zahlreichen Studien in unterschiedlichen Sportarten durch bessere Antizipationsleistungen der Experten im Vergleich zu weniger erfahrenen Sportlern nachweisen. Es ist jedoch weitestgehend unklar, wie diese Informationen auf neuronaler Ebene verarbeitet werden und inwiefern sich die Verarbeitungsprozesse zwischen Experten und Novizen unterscheiden. Sowohl Verhaltensstudien als auch Studien aus dem Bereich der Neurowissenschaften haben Hinweise darauf gefunden, dass die Ausführung und die Wahrnehmung von Bewegungen, zumindest teilweise, gemeinsam repräsentiert sind. Demnach werden motorische Repräsentationen auch genutzt, um Bewegungen von anderen Personen wahrzunehmen. Als Funktion des sogenannten Action Observation Networks (AON), das alle an der Bewegungswahrnehmung beteiligten Gehirnareale beinhaltet und somit auch motorik-assoziierte Areale inkludiert, wird insbesondere die Vorhersage von Handlungseffekten diskutiert. Eine mögliche Erklärung für die Aktivierung des AON während der Effektantizipation, vor allem in motorik-assoziierten Arealen, könnte in der Nutzung von internen Modellen liegen. Interne Modelle dienen während der eigenen Bewegungsausführung unter anderem der Vorhersage des zu erwartenden Effekts und könnten bei der Bewegungsbeobachtung zur Vorhersage von Effekten anderer Personen verwendet werden. Neben parietalen und prämotorischen Arealen wird vor allem auch das Cerebellum als wichtiger Bestandteil der internen Modelle diskutiert.Im ersten Experiment wurde die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) eingesetzt, um zu untersuchen, welchen Beitrag das AON und vor allem die eigenen motorischen Repräsentationen bei der Antizipation von Effekten beobachteter Handlungen leisten. Der Vergleich zwischen den Tennisexperten und den Novizen hatte außerdem das Ziel, die expertisebedingten Unterschiede während der Vorhersage von Handlungseffekten zu beleuchten und so weitere Erkenntnisse über die neuronalen Prozesse, die mit der besseren Antizipationsleistung von Experten assoziiert sind, zu gewinnen. Im zweiten Experiment wurde im Anschluss ein Vergleich zwischen Volleyball- und Tennisexperten durchgeführt, um die Beteiligung des AON und insbesondere des Cerebellums an der Vorhersage von Handlungseffekten in einem modifizierten Expertisevergleich zu untersuchen und weitere Erkenntnisse bezüglich der Theorie einer Nutzung von internen Modellen zur Vorhersage von Effekten beobachteter Handlungen zu gewinnen. Die Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen bestätigen die Bedeutung von Arealen des AON für die Vorhersage von Effekten beobachteter Handlungen. Die Effektantizipation in einer Sportart, für die die Probanden durch langjähriges Training stärker ausgeprägte interne Repräsentationen besitzen, ist dabei insbesondere mit einer stärkeren Aktivierung in prämotorischen, posterior parietalen und cerebellären Arealen assoziiert. Diese Ergebnisse passen somit zu der Theorie, dass interne Modelle zur Vorhersage von Effekten beobachteter Handlungen genutzt werden. Ferner hat die vorliegende Arbeit gezeigt, dass der Vergleich von Experten einer Sportart mit Novizen respektive mit der Antizipation in einer anderen Disziplin eine hervorragende Möglichkeit zur Untersuchung des Einflusses von eigenen motorik-assoziierten Repräsentationen auf die Vorhersage von Handlungseffekten darstellt. What is the difference between experts and novices in a specific sport? Besides aspects like the physical constitution and the tactical knowledge, in many sports the ability to anticipate the effect of an action under pressure of time is crucial to performance. Because of this anticipation capacity experts know earlier what is going to happen next and have more time to prepare an appropriate response. Over the last decades numerous researchers in the field of expertise have shown in different sports that experts outperform novices when anticipating the effect of observed actions. However, thus far, not much is known about the neural mechanisms underlying the anticipation of actions effects in experts and the extent these neural processes differ compared to novices. Behavioral as well as neuroscientific studies have found indications that perception and action share, at least in parts, the same representations. Therefore, motor representations are not only used to execute own actions, but also to perceive the actions of others. As a function of the so-called action observation network (AON), that embraces all brain areas activated by the mere observation of actions, the simulation of observed actions in order to predict the outcome of very specific actions is discussed. The activation in areas of the AON during effect anticipation, especially in areas that are associated with the execution of actions, could be explained by the usage of internal models. During the execution of own actions, internal models are used to predict the sensory consequences of a motor command in order to control for movements errors. In addition to parietal and premotor areas, the cerebellum is thought to be a crucial part of the internal models. In the first study, functional magnetic resonance imaging (fMRI) was used to examine the role of the AON, and particularly of the own motor representations, when anticipating the effects of others actions. Furthermore, the aim of the comparison of the tennis experts and the novices was to analyze the differences in the neural processes during effect anticipation that are associated with the better anticipation performance in experts. In the second study, a contrast between volleyball and tennis experts was conducted to investigate the role of the AON, and especially of the cerebellum, in a modified comparison of experts and novices, as the expert group in each sport acted as novice controls in the other sport with which they had no experience. This design was chosen to provide further insight into the usage of internal models when anticipating the effects of observed actions and to examine the specificity of expertise related differences.The results of both studies confirm the importance of areas of the AON when anticipating the effects of others actions. Effect anticipation in a sport participants possess more fine-tuned motor representations that have improved during years of training is associated with stronger activation in premotor, posterior parietal, as well as cerebellar structures. These results support the theory that internal models are not only used during the execution of own actions, but also during effect anticipation. Furthermore, the present thesis has shown that the comparison of experts with novices, respectively with anticipation in a condition the experts have no expertise for, provides a perfect instrument to investigate the influence of own motor representations on the anticipation of action effects.