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Die Geräuschkulisse glich einem futuristischen Konzert: Immer wieder heulte eine Sirene auf, während ein Pianist - unterbrochen von Kommandorufen - auf die stets gleichen zwei Tasten eines Klaviers einhämmerte. Der Raum war verdunkelt, so dass die Lämpchen, die am Kopf und am rechten Arm des Pianisten angebracht waren, in der Dunkelheit besser zu sehen waren als der Pianist selbst. Auf den rechten Arm war eine Kamera gerichtet. Vor dem Objektiv befand sich eine Scheibe, die sich drehte, wann immer das Aufheulen der Sirene zu hören war; hinter der Kamera stand eine Gruppe von Wissenschaftlern: Der Neurophysiologe Nikolaj A. Bernštejn untersuchte am Staatlichen Institut für Musikwissenschaft die "Arbeitsbewegungen beim Instrumentalspiel", wie ein Bericht des Instituts für das Jahr 1926, der Bernštejn als Gastwissenschaftler der Sektion für die Methodik des Klavierspiels erwähnte, das Forschungsprogramm der Sektion beschrieb. Bernštejn hatte nach seinem Studium der Medizin und verschiedenen Tätigkeiten in der Kinderpsychiatrie und am Moskauer Psychologischen Institut mit seinen Forschungen zur Bewegung am Zentralinstitut für Arbeit (im Folgenden CIT: Central'nyj institut truda) begonnen, wohin ihn der Gründer des Instituts, Alexej K. Gastev, 1922 als Leiter der Abteilung für Biomechanik geholt hatte. Gemeinsam mit seinem Studienkollegen Krikor Ch. Kekčeev und der Mathematikerin Tat'jana S. Popovabaute Bernštejn dort ein Labor für die fotografische Aufzeichnung von Bewegungen auf. Alle drei wechselten 1925 an das Moskauer Psychologische Institut, wo sie ihre Studien zur Bewegungssteuerung unter neurophysiologischem Gesichtspunkt fortsetzten. Am CIT hatte Bernštejn unter anderem den Schlag mit einem Hammer oder den Gebrauch von Feile und Säge untersucht. Hiervon unterschied sich das Klavierspiel für Bernštejn in einem entscheidenden Punkt: Es untersteht einer auditiven Kontrolle, die - auch wenn sie sich nicht auf die Spielbewegungen selbst richtet - simultan zu den Spielbewegungen abläuft. In Bernštejns Arbeiten zum Klavierspiel treffen also zwei Formen der Kontrolle aufeinander: die auditive und die visuelle. Die folgenden Ausführungen wollen zunächst die Herkunft dieser beiden Formen der Kontrolle aus der virtuosen Klaviermusik und aus der experimentellen Bewegungsphysiologie herleiten und dann ihre Transformation in das komplexe System simultaner Beobachtungsmodi in Bernštejns Experimenten nachzeichnen.
In den Neurowissenschaften führt die Erforschung des vegetativen Nervensystem (VNS) immer noch ein Schattendasein. Einer der wichtigsten Teile des VNS, der Hirnstamm, ist dabei besonders schlecht erforscht, obwohl er die Steuerzentren für Herzschlag, Blutdruckregulation, Atmung, Verdauung, und viele weitere lebenswichtige Funktionen beherbergt. Ein wichtiger Grund für diesen Umstand ist, dass die funktionelle Kernspintomographie (fMRT) sich in ihrer bisherigen Form nur bedingt für Messungen im Hirnstamm eignet. Ziel dieser Arbeit war es daher, neue Ansätze zur fMRT-Messung vegetativer Zentren im menschlichen Hirnstamm zu entwickeln. Nach einer Einführung in die Neuroanatomie sowie die physikalischen und physiologischen Grundlagen der strukturellen und funktionellen MRT werden im mittleren Teil der Arbeit die Entwicklung sowie der Test neuer Ansätze zur Hirnstamm-fMRT beschrieben. Dabei untersucht der Autor zunächst, welche grundlegenden Probleme einer konventionellen fMRT-Messung im Hirnstamm entgegenstehen. Es stellt sich heraus, dass alle hirnstamm-spezifischen Störquellen direkt oder indirekt auf den Herzschlag zurückzuführen sind. Aus den vorhandenen Ansätzen zur Korrektur solcher Störungen wird die Herzschlag-Taktung ausgewählt. Bei diesem Verfahren erfolgt die Aufnahme der fMRT-Bilder zeitlich gekoppelt an dem Herzschlag des Probanden, um sämtliche kardiogenen Rauschquellen zu unterdrücken. Anstelle des häufig verwendeten, aber statistisch problematischen Guimaraes-Verfahrens zur Korrektur der durch die Herzfrequenzvariabilität bedingten Schwankungen des MR-Signals wird in der vorliegenden Arbeit der die sog. Dual-Echo-Bildgebung verwendet. Dabei wird die konventionelle EPI-Sequenz (echo-planar imaging) dahingehend erweitert, dass pro Bild anstelle eines Echos zwei aufgenommen werden. Durch Quotientenbildung der beiden Bilder kann so der fluktuierende Teil des Signals entfernt werden. Beim Vergleich verschiedener Varianten der Quotientenbildung stellt sich ein neu entwickelter, exponentieller Ansatz als überlegen heraus. Danach werden die Auswirkungen verschiedener Methoden der Bewegungskorrektur und Schichtorientierung verglichen, um das Optimum für Messungen im Hirnstamm zu ermitteln. Nach Tests des neuen Verfahrens an verschiedenen fMRT-Datensätzen werden Empfehlungen für die Kombination der verschiedenen Parameter gegeben. Es zeigt sich, dass die Standardabweichung der fMRT-Bilder mit der neuen Methode im unteren Hirnstamm um 13% - 33% reduziert werden kann. Ein Sensitivitätstest an motorischen Hirnstammkernen, welche durch ein motorisches Paradigma aktiviert werden, zeigt, dass die jeweiligen Kerne in 85% - 95% der Fälle eindeutig identifiziert werden können. Im dritten Teil der Arbeit erfolgt die Anwendung der neuen Methode auf die Messung von Aktivierungen vegetativer Zentren. Hier wird als unkonventionellen Stimulus des vegetativen Nervensystems die Akupunktur verwendet. Dies geschieht u.a. mit der Zielsetzung, zur Aufdeckung des noch immer unbekannten Wirkmechanismus dieser Therapieform beizutragen. Als Akupunkturpunkt wird Pc6 am Handgelenk gewählt, da die Studienlage eindeutig dessen Effektivität bei der Behandlung von Übelkeit und Erbrechen sowie eine Beeinflussung der Magen-Peristaltik zeigt und die neuralen Zentren hierfür größtenteils im Hirnstamm lokalisiert sind. Der Autor stellt daher die Hypothese auf, dass die Akupunkturwirkung in diesem Fall über den Vagusnerv und dessen Hirnstammkern, den Nucleus dorsalis nervi vagi, vermittelt wird. Vor der Überprüfung dieser Hypothese erfolgt zunächst eine Methodenkritik der bisherigen Akupunktur-fMRT-Forschung. Anhand einer Gruppe von Studien, welche über Aktivierungen der Sehrinde bei Akupunktur visuell relevanter Punkte berichten, weist der Autor eine Reihe methodischer Probleme nach. Anhand einer eigenen Studie kann er mittels Independent Component Analysis (ICA) zeigen, dass die von den bisherigen Studien berichteten, visuellen Aktivierungen höchstwahrscheinlich nicht auf die Wirkung der Akupunktur zurückzuführen sind. Um einige der Probleme dieser Studien zu umgehen, entwickelt der Autor ein neues psychophysikalisches Verfahren, bei dem die Probanden während der Akupunktur kontinuierlich die Stärke der Nadelempfindung („DeQi“) auf einer visuellen Analogskala bewerten. Mit Hilfe dieses Verfahrens gelingt schließlich der Nachweis einer Hirnstamm-Aktivierung unter Akupunktur-Stimulation, deren Lokalisation mit der des Nucleus dorsalis nervi vagi vereinbar ist. Dies bestätigt die ursprüngliche Hypothese und zeigt gleichzeitig die Eignung des neuen Verfahrens für die Bildgebung vegetativer Hirnstammzentren.