In den letzten Jahrzehnten hält die Neurowissenschaft immer größeren Einzug in die Sportwissenschaft. Der sich abzeichnende Trend führte nach Daugs et al. (1996, S. 16) dazu, dass sich Lineare Stufenmodelle der Informationsverarbeitung, Modelle begrenzter Informationsverarbeitungskapazität, die Schematheorie des motorischen Lernens nach Schmidt oder computeranaloge Modellierungen in theoretische und empirische Widersprüche verstrickt haben.
Die vorliegende Arbeit behandelt das Thema motorisches Lernen ausschließlich aus neurowissenschaftlicher Perspektive. Im Verständnis einer interdisziplinären Arbeitsweise wird versucht, neurophysiologische, neurobiologische, mathematische, physikalische und systemtheoretische Erkenntnisse und Methoden zu vereinen. Im Mittelpunkt der Betrachtungen steht das Gehirn in Bezug auf seine Arbeits- und Funktionsweise, sowie Aspekte neuronaler Netze. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage wie Bewegungen kontrolliert und gesteuert, sowie durch Lernprozesse verändert werden können.
Das Thema wird sowohl unter makroskopischen als auch unter mikroskopischen Blickwinkel aufgeschlossen. Im Verständnis der Synergetik wird das (makroskopische) Zusammenwirken funktionaler neuronaler Strukturen im Gehirn betrachtet, die sich aus organisierten Verbünden von Nervenzellen (Neuronen) ausbilden. Als motorische Gesamtleistung bringen sie willkürliche Bewegungen hervor und ermöglichen motorisches Lernen. Im Mittelpunkt steht das Zusammenwirken des motorischen Kortex, der Basalganglien und des Kleinhirns, die über den Thalamus vernetzt sind.
Während die Synergetik das Zusammenwirken verschiedener funktionaler Strukturen beschreibt, wird dagegen beim Konnektionismus das Zusammenwirken gleicher Funktionseinheiten betrachtet. Der Fokus richtet sich auf die mikroskopische Ebene der Neuronen und ihrer Vernetzung. Beachtet man, dass es sich bei diesen neuronalen Strukturen um Millionen von Neuronen handelt, so ist der Schritt der Modellbildung unweigerlich nötig. Im weiteren Verlauf wird mit Hilfe von künstlichen neuronalen Netzen das Gehirn simuliert, um daraus wichtige Erkenntnisse über die Funktionsweise und vor allem über Lernprozesse zu gewinnen.
In zwei abschließenden Kapiteln werden die wichtigsten Erkenntnisse zusammengefasst und ein grundlegender Ausblick formuliert.
Inhaltsverzeichnis
0 VORWORT
1 EINFÜHRUNG
2 BEGRIFFSBESTIMMUNGEN UND EINGRENZUNGEN
2.1 Motorik
2.2 Motorisches Lernen
2.3 Neurowissenschaft
3 SYNERGETIK UND KONNEKTIONISMUS
4 SYNERGETIK NEURONALER STRUKTUREN
4.1 Motorischer Kortex
4.2 Basalganglien
4.3 Kleinhirn
5 KONNEKTIONISMUS NEURONALER INFORMATIONSEINHEITEN
5.1 Grundlagen neuronaler Netze
5.2 Netztypen
5.2.1 Das Perceptron
5.2.2 Multilayer Perceptrons
5.2.3 Kohonen-Netz
5.2.4 Hopfield-Netz
5.2.5 Elman-Netz
5.3 Lernverfahren
5.3.1 Überwachtes Lernen
5.3.2 Unüberwachtes Lernen
5.3.3 Verstärkendes Lernen
5.4 Lernregeln
5.4.1 Hebbsches Lernen und Langzeitpotenzierung
5.4.2 Delta-Regel und Backpropagation
5.4.3 Center-Surround-Prinzip
6 ZUSAMMENFASSUNG
7 AUSBLICK
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht den Prozess des motorischen Lernens ausschließlich aus einer neurowissenschaftlichen Perspektive. Dabei wird das Ziel verfolgt, ein interdisziplinäres Verständnis zu schaffen, indem neurophysiologische, systemtheoretische und konnektionistische Ansätze vereint werden, um zu klären, wie Bewegungen gesteuert und durch Lernprozesse nachhaltig verändert werden.
- Grundlagen der Motorik und des motorischen Lernens aus Sicht der Neurowissenschaft
- Die systemtheoretische Bedeutung von Synergetik für die Organisation neuronaler Strukturen
- Konnektionistische Modellbildung neuronaler Netze zur Simulation von Lernvorgängen
- Die Rolle spezifischer Gehirnareale wie motorischer Kortex, Basalganglien und Kleinhirn
- Anwendung mathematischer Lernregeln wie Hebbsches Lernen und Backpropagation auf biologische Lernprozesse
Auszug aus dem Buch
4.1 Motorischer Kortex
Der motorische Kortex ist im Frontallappen des Kortex angesiedelt. Er ist verantwortlich für die Entstehung höherrangiger, willkürlicher Bewegungen. Zur Planung und Gestaltung von Bewegungen werden sowohl Informationen des somatosensorischen Kortex als auch Emotions- und Motivationsaspekte aus dem Assoziationskortex integriert. Eine weitere entscheidende Rolle zur Abstimmung der Motorik spielen die Basalganglien und das Kleinhirn in zwei subkortikalen Funktionsschleifen.
Die Neuronen der motorischen Areale sind reziprok miteinander verbunden. Die Anzahl und Größe der Neuronen bilden sechs typische Schichten. Dickere Schichten sind zum Beispiel die Schicht V des primär motorischen Kortex, da dort sehr viele und zugleich besonders große sogenannte Pyramidenzellen sitzen. Ähnlich verhält es sich mit der Schicht VI des angrenzenden somatosensorischen Kortex, wo Afferenzen des peripheren Nervensystems verarbeitet werden. Mit Hilfe dieser sensorischen Informationen werden die Stellung des Körpers und Aspekte der Umwelt in den motorischen Prozess mit einbezogen.
Mit Angabe des nach Brodmann benannten histologischen Feinbaus kann der motorische Kortex in vier Areale mit speziellen Funktionen unterteilt werden (vgl. Zilles & Rehkämper, 1998, S. 262ff.). Sie sind in Abbildung 7 dargestellt und heißen:
- Primär motorischer Kortex (Area 4 nach Brodmann)
- Prämotorische Kortex (lateraler Teil der Area 6 nach Brodmann)
- Supplementär motorische Kortex (medialer Teil der Area 6 nach Brodmann)
- Cingulär motorische Kortex (Area 24)
Zusammenfassung der Kapitel
0 VORWORT: Die Einleitung erläutert die persönliche Motivation des Autors und die interdisziplinäre Herangehensweise an die Thematik.
1 EINFÜHRUNG: Es werden die zentralen Begriffe Motorik und motorisches Lernen definiert und die Struktur der Arbeit als Verbindung von Synergetik und Konnektionismus dargelegt.
2 BEGRIFFSBESTIMMUNGEN UND EINGRENZUNGEN: Dieser Abschnitt differenziert zwischen Reflexen, automatischen Bewegungen und Willkürbewegungen und führt den Begriff der Neuroplastizität ein.
3 SYNERGETIK UND KONNEKTIONISMUS: Die Arbeit stellt diese zwei Systemtheorien vor, um das Gehirn sowohl makroskopisch als auch mikroskopisch als Informationsnetzwerk zu betrachten.
4 SYNERGETIK NEURONALER STRUKTUREN: Dieses Kapitel analysiert das Zusammenwirken von motorischem Kortex, Basalganglien und Kleinhirn bei der motorischen Kontrolle.
5 KONNEKTIONISMUS NEURONALER INFORMATIONSEINHEITEN: Hier werden künstliche neuronale Netze als Modellvorstellungen genutzt, um Lernverfahren und Lernregeln wie das Hebbsche Lernen zu erklären.
6 ZUSAMMENFASSUNG: Die zentralen Erkenntnisse über die synaptische Plastizität und die Modellierung von Lernvorgängen werden hier gebündelt.
7 AUSBLICK: Das Kapitel reflektiert die zunehmende Bedeutung neurowissenschaftlicher Ansätze für die Sportwissenschaft und zukünftige Forschungsperspektiven.
Schlüsselwörter
Motorisches Lernen, Neurowissenschaft, Synergetik, Konnektionismus, Neuroplastizität, Motorischer Kortex, Basalganglien, Kleinhirn, Neuronale Netze, Hebbsches Lernen, Backpropagation, Sensomotorik, Synapse, Repräsentation, Handlungsgedächtnis
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser wissenschaftlichen Arbeit grundlegend?
Die Arbeit untersucht motorische Lernprozesse unter dem Fokus aktueller neurowissenschaftlicher Erkenntnisse und verbindet dabei biologische Funktionsweisen mit systemtheoretischen Modellen.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Die zentralen Felder sind die neuronale Steuerung und Regelung von Bewegungen, die Plastizität des Gehirns sowie die Modellierung von Lernprozessen mittels künstlicher neuronaler Netze.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, die komplexen, interdisziplinären Mechanismen zu entschlüsseln, die es dem Menschen ermöglichen, Bewegungen durch Training zu erlernen und zu verfeinern.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Die Arbeit verfolgt einen hermeneutischen Ansatz, bei dem Erkenntnisse aus der Neurophysiologie, Systemtheorie und Kognitionspsychologie zusammengeführt und auf Basis konnektionistischer Modelle analysiert werden.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine synergetische Betrachtung makroskopischer Gehirnstrukturen und eine konnektionistische Analyse der mikroskopischen Vernetzung von Neuronen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Publikation?
Wichtige Begriffe sind Motorisches Lernen, Neuroplastizität, Synergetik, Konnektionismus sowie spezifische Lernregeln wie das Hebbsche Lernen.
Welche Bedeutung haben die Basalganglien für die Motorik?
Sie fungieren als eine Art Handlungsgedächtnis, in dem erfolgreich ausgeführte Bewegungsabläufe gespeichert und bei Bedarf freigegeben oder gehemmt werden.
Warum ist das Hebbsche Lernen für das Verständnis motorischer Fertigkeiten wichtig?
Es bietet die fundamentale Erklärung dafür, wie die simultane Aktivität verbundener Neuronen deren Synapsenstärke erhöht, was die biologische Basis für das Abspeichern von gelernten Inhalten darstellt.
Welchen Zweck erfüllen die künstlichen neuronalen Netze im Text?
Sie dienen als vereinfachte Modellvorstellungen, um die komplexen, biologisch schwer beobachtbaren Lernprozesse mathematisch beschreibbar und somit verständlicher zu machen.
Wie unterscheidet sich das Kohonen-Netz von anderen Typen?
Es zeichnet sich durch die Fähigkeit zur Selbstorganisation topographischer Karten aus, was eine direkte Analogie zum Aufbau der kortikalen Areale im menschlichen Gehirn darstellt.
- Quote paper
- Manuel Holler (Author), 2007, Motorisches Lernen aus neurowissenschaftlicher Perspektive, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/122930
