Experiment MONIMIR

Arm-, Augen- oder Kopfbewegungen sind, neurologisch gesehen, sehr komplizierte Vorgänge. Damit eine Bewegung flüssig ablaufen kann, muß das Gehirn ständig ankommende Informationen mit den hinausgehenden Befehlen vergleichen. Die Meldungen der peripheren Aufnehmer (Rezeptoren sind in Gelenkskapseln gelagert, Muskel- und Sehnenspindeln stellen feine Tastkörperchen dar und liefern ständig Informationen an das Zentralnervensystem) geben über die Stellung der Extremitäten, über die Muskel- und Sehnenspannung Aufschluß. Sie lassen erkennen, ob die nächste geplante Bewegung überhaupt möglich ist. In einem ständigen Rückkopplungsprozeß gehen vom Zentralnervensystem wiederum Befehle an die Peripherie, also zu Hand oder Auge.

Die Durchführung von Untersuchungen in frühen als auch in späten Phasen des Raumfluges führt zu neuen Informationen über den Zustand des Bewegungssteuerungssystems der Kosmonauten, die für das Verständnis der Strategie und Taktik des Umbaus der Koordinationsstruktur und der sensorischen Unterstützung von Bewegungen während der Anpassung an die Schwerelosigkeit und des zeitlichen Verlaufes der dabei auftretenden motorischen Störungen wichtig sind.

Forschungsziel

Die Schwerelosigkeit ändert die Meldungen der Sensorsysteme an das Gehirn, zusätzlich verringert sich speziell im Gleichgewichtsorgan aufgrund der fehlenden Erdanziehung der Informationsstrom dramatisch. Weil die muskuläre Aktivität kleiner ist, kommen auch von Muskeln, Gelenken und Bändern weniger Informationen. Auch die Haut meldet weniger ans Gehirn, da Fußsohlen und Gesäß kaum stimuliert werden, die Kleidung liegt fast nicht am Körper auf. Einzig Auge und Ohr sind ähnlich stark wie auf Erden beschäftigt. Bei den Anpassungsvorgängen dürften sie eine wichtige Kontrollfunktion haben, wenngleich auch z. B. für das Auge in der Schwerelosigkeit die Begriffe "oben" oder "unten" inhaltsleer geworden sind.

Hauptziel des Experiments MONIMIR stellt die Untersuchung des Zustands des motorischen Kontrollsystems während eines Langzeitfluges dar, sowie die, umfangreiche Untersuchung der Rolle visueller, propriozeptiven und vestibularen Afferenzen zur Klärung ihrer Funktion während der verschiedenen Phasen der Ausführung des motorischen Programms.

Die konkreten Experimentaufgaben waren folgende:
  • Untersuchung der kinematischen und elektrophysiologischen Parameter der Bewegungen von Augen, Kopf und Arm auf ein visuelles Signal während eines Langzeitraumfluges;
  • Untersuchung der kinematischen und elektrophysiologischen Parameter von Kopf- und Arm Bewegungen aus dem propriozeptiven Kurzzeitgedächtnis;
  • Untersuchung des Einflusses der Nackenreflexe auf räumliche und kinematische Parameter der Armbewegungen;
  • Untersuchung des Zustandes der spinalen Reflexe.
Funktionsweise, Meßprinzip

Das Programm des Experimentes MONIMIR war für alle drei Hauptmannschaften identisch und bestand aus folgenden Tests:
  • Koordination zielgerichteter Augen- und Armbewegungen auf visuelle Signale bei verschiedenen visuellen Kontrollmechanismen der Armbewegungen;
  • Koordination zielgerichteter Augen-, Kopf- und Armbewegungen auf visuelle Signale;
  • Kopf- und Armbewegungen aus dem Gedächtnis;
  • Nackenreflexe;
  • Biomechanik der Kopfbewegungen;
  • T -Reflex.
Der Kosmonaut hatte nach einem vorgegebenen Schema Kopf- und Armbewegungen auszuführen, die mit einem Videosystem aufgezeichnet und auf der Erde analysiert wurden. Drei Arten von Bewegungen (Arm, Augen, Kopf) wurden einzeln erfaßt und in ihrer Koordination auch untereinander verglichen. Ein rascher Blick, etwa nach der Bewegung des Armes, hat ja meist eine Kopfbewegung zur Folge. Diese Reflexe gehen vom Hirnstamm aus. Genau definierte optische Signale, denen der Kosmonaut folgen mußte, ermöglichten standardisierte Bewegungen bei allen Aufgabenstellungen. So wurde die Armbewegung des Kosmonauten mit Hilfe einer Infrarotpistole registriert. Er mußte auf einer mit Leuchtdioden bestückten Tafel jeweils die zu treffen versuchen, die (nach Zufallsprinzip vom Rechner DATAMIR gesteuert) im Moment aufleuchtete. Die Pistolenbewegung wurde durch das Infrarot-Kamerasystem erfaßt. Gleichzeitig konnte die Augenbewegung durch ein Elektrookulogramm gemessen werden.

Zwei Kameras registrierten die Kopfbewegungen. Und zwar verfolgten sie die Bewegungen von Infrarot-Leuchtdioden, die auf dem Experimentierhelm des Kosmonauten angebracht waren. Die Richtung des Helmes/Kopfes konnte durch eine Helmlampe, die einen Lichtstrahl auf die Leuchtdiodentafel projizierte, verfolgt werden.

Zur Untersuchung des Zusammenwirkens von Kurzzeitgedächtnis und Bewegung erlernte der Kosmonaut eine Bewegung und mußte anschließend versuchen, sie mit geschlossenen Augen zu wiederholen. Weil er dabei keine Kontrolle durch das Auge hatte, war er einzig auf die Information angewiesen, die er durch die Gelenksrezeptoren erhielt.

Der Kniesehnenreflex gab Aufschluß über den Aktivierungsgrad des sensomotorischen Systems. Er wurde mittels des bewährten Hammerschlags gemessen. Die Nackenreflexe in Muskeln und Gelenken der oberen Halswirbelsäule wurden mit Sensoren bestimmt. Sie zeigten die Stellung bzw. die Bewegung des Kopfes gegenüber dem Körper an. Bei schwerelosigkeitsbedingten änderungen der Meldungen von der Halswirbelsäule können Störungen der Körpermotorik auftreten. Deshalb werden auch die Bewegungen der Halswirbelsäule erfaßt. Es konnten somit Meldungen aus dem Gehirnsystem mit Meldungen aus den übrigen Teilen des Körpers verglichen werden.

Mitverwendete Apparaturen der österreichischen Nutzlast

DATAMIR, OPTOVERT, MOTOMIR

Ergebnisse

Die Untersuchung des Einflusses verschiedener Arten von visuellem Feedback auf die Raum-Zeitparameter vorprogrammierter Armbewegungen auf visuelle Signale

Der Experimentablauf war für alle drei Hauptmannschaften identisch und bestand aus folgenden Tests:
  • Test A1: Zielgerichtete Armbewegungen ohne visuelles Feedback (FVF).
  • Test A2: Zielgerichtete Armbewegungen mit teilweisem visuellen Feedback (der Proband erhält die visuelle Information über die Armstellung nach Beendigung der Bewegung) (TVF).
  • Test A3: Zielgerichtete Armbewegungen mit visuellem Feedback (der Kosmonaut erhält visuelle Information über die Armstellung sowohl während als auch nach Beendigung der Bewegung) (NVF).
In diesem Experimentteil konnte gezeigt werden,
  • daß die willkürlichen zielgerichteten Bewegungen in der Schwerelosigkeit verlangsamt sind;
  • daß diese Verlangsamung mit keiner bedeutenden Verzerrung der Bewegungsstruktur verbunden ist;
  • daß in der Schwerelosigkeit die visuelle Information stark in der Planung und Korrektur der Bewegungen, nicht aber in deren Durchführung involviert ist.
Die Untersuchung der Koordination zielgerichteter Augen- und Kopfbewegung auf visuelle Signale

Auf der Grundlage der Ergebnisse, im Rahmen des Projekts AUSTROMIR und mit dem Ziel einer genaueren Erforschung der beobachteten Phänomene wurde der Untersuchungsablauf modifiziert, die räumliche Anordnung wurde geändert, Menge und zufällige Verteilung der visuellen Zielpunkte wurden erhöht. Der Untersuchungsmodus für die Untersuchung der Koordination der Augen- und Kopfbewegungen bei der Blickfixierungsreaktion war ident mit jenem, der bei der HM-16 angewendet wurde: Aufgrund der hohen Ausfalls- und Meßfehler-Rate bei diesem Experimentteil konnte jedoch keine zusammenfassende Analyse erfolgen.

Der Einfluß der Orientierung des Kopfes auf die räumlichen Koordinaten der Armbewegungen

Ziel dieser Experimente war, unter dem Einfluß verschiedener Schwerkraftbedingungen (vor, während und nach Langzeitflügen auf der Raumstation MIR) den Effekt unterschiedlicher Kopf- zu Rumpfstellungen auf Armbewegungen zu untersuchen. Zielbewegungen des rechten Armes in der horizontalen Ebene auf zwei visuelle Reize hin wurden bei geöffneten Augen eingelernt und mußten bei geschlossenen Augen reproduziert werden. In dieser Reproduktionsphase wurde die Kopf-zu-Rumpfstellung variiert. In Mikrogravität ist durch die Veränderung der Sinneseingänge des vestibulären (Gleichgewichtssinn) und des propriozeptiven (Reizverarbeitungssystem) Systems bei der Durchführung von Zielbewegungen ohne visuelle Kontrolle eine Beeinträchtigung zu erwarten.

Die Variation der drei unabhängigen Variablen, nämlich der Einfluß des visuellen Systems, die unterschiedlichen Schwerkraftbedingungen und die verschiedenen Kopfpositionen ändern deutlich sowohl räumliche, wie auch metrische Parameter der Armbewegung.

Die Kopfstellung relativ zum Rumpf scheint dabei eine wichtige Rolle beim Kodieren der Ziel-Position zu spielen. Ohne visuelles Feedback stört die langandauernde YAW- oder ROLL- Stellung des Kopfes möglicherweise das hypothetische Körperschema. Daher tritt eine signifikante Neigung der inneren Repräsentanz der horizontalen Koordinate zur entgegengesetzten Körperseite auf.

Der Effekt ist umso stärker:
  • Je größer die Störung ist, die durch die extreme Kopfposition entsteht.
  • Je größer die Beteiligung der Muskeln ist, die Position des Kopfes über längere Zeit einzuhalten.
  • Je mehr die verbleibende Information noch reduziert wird. In der Schwerelosigkeit können die Sinneszellen des Innenohres die Position des Körpers im Raum nicht mehr eindeutig zuordnen. Deshalb beruft sich die Testperson auf die bisherigen Erfahrungswerte, z.B. beim Aufrechtstehen sind die Füße unten und der Kopf oben. So wird in der Schwerelosigkeit die Reizung der Nackenrezeptoren als Neigung des ganzen Körpers Richtung Kopf an statt einer Neigung des Kopfes zum Körper fehlinterpretiert. Möglicherweise wird dadurch auch die Bewegungsebene des Armes vom Hirn anders interpretiert.
Durch den Verlust an Hintergrundinformation, durch fehlendes visuelles Feedback und durch die reduzierte Information während des Fluges zeigen sich verringerte Bewegungsausmaße und Geschwindigkeiten. Während und nach dem Flug ist die mittlere Geschwindigkeit in allen Kopfpositionen bei allen Kosmonauten konstant, es finden sich aber relativ große systematische Fehler. Würden sie sich dessen bewußt sein, hätten sie sie vermutlich korrigiert.

Der Einfluß der Schwerelosigkeit auf die Reproduktion unterschiedlich erlernter Armbewegungen

Die wissenschaftliche Fragestellung in diesem Experiment war, ob die Zielbewegungen des Armes, die einmal nur mit propriozeptivem, das andere Mal mit propriozeptivem und visuellem Feedback erlernt wurden, in der Schwerelosigkeit andere räumliche Charakteristika als unter Erdbedingungen aufweisen.

Die Armbewegungen in einem Dreiecksmuster wurden auf zwei unterschiedliche Arten erlernt:
  • Erlernen des Reizmusters durch von einer zweiten Person passiv geführte Armbewegungen bei geschlossenen Augen der Versuchsperson (Lernen durch propriozeptive Kontrolle).
  • Erlernen des Reizmusters durch aktive Armbewegungen bei geöffneten Augen (Lernen durch optische und propriozeptive Kontrolle). Ein Test besteht aus zwei Teilen, aus der Lernphase und aus der Memory-Phase.
Parameter, die die Größe des Dreieckes definieren fallen unterschiedlich aus, je nachdem, ob sie aktiv oder passiv erlernt werden. Aktives Erlernen bedeutet im Falle dieses Experimentes hauptsächlich die Möglichkeit der visuellen Kalibrierung, die für die motorische Leistung entscheidend ist. Trotz diesen optimalen Lernbedingungen ist aber der Unterschied zu den Testleistungen, in denen ausschließlich aufgrund propriozeptiven Informationen gelernt wird, nicht groß. Ein inneres Bild des Dreieckes hilft den Kosmonauten bei der Reproduktion. Die Größen und Längen erfordern Kalibrierung, die Formwiedergabe ist eine kognitive Leistung. Auch frühere Experimente zeigen, das die Form besser wiedergegeben werden kann als die Größe. Die unterschiedlichen Schwerkraftbedingungen haben einen signifikanten Einfluß, hauptsächlich auf räumliche Parameter des Dreieckes.

Schlussfolgerungen

Aufgrund der ausgeprägten Veränderungen des Informationsflusses aus dem Gleichgewichtsarapparat und den körpereigenen Rezeptoren sowie aufgrund der geänderten biomechanischen Bedingungen sind tiefgreifende Veränderungen in der sensomotorischen Steuerung von Haltung und Bewegungen notwendig. Das Experiment MONIMIR hat systematisch die Aspekte dieser Anpassungsleistungen untersucht. Zusammenfassend lässt sich sagen:
  • Visuelle Kontrolle in Schwerelosigkeit: Zur räumlichen Orientierung und zur Planung der Bewegungen kommt der visuellen Kontrolle ein erhöhter Stellenwert zu.
  • Vestibulär-propriozeptive Kontrolle in Schwerelosigkeit: Unter Erdbedingungen sind propriozeptive und vestibuläre Informationen über Lage und Bewegung des Körpers im Einklang. In der Schwerelosigkeit fallen die schwerkraftbezogenen Funktionskomponenten aus, die Interpretation der raumbezogenen Information muß geändert werden. Im Experiment zeigte sich, daß die änderung nicht durch propriozeptive Rezeption ausgeglichen werden kann Nur durch zusätzliche visuelle Information kann die Bewegungssteuerung effektiv erfolgen.
  • Bewegungskinematik: Alle willkürlich zielgerichteten Bewegungen sind in der Schwerelosigkeit verlangsamt, ist aber mit keiner bedeutenden Verzerrung der Bewegungsstruktur verbunden, weshalb hier offensichtlich eine änderung der Bewegungsstrategie vorliegt.
Technische Daten

Die Apparatur MONIMIR bestand aus folgenden Einheiten

Elektrischer Prinzipschaltplan des Projekts MONIMIR. Grafik: BMBWK, Wien

Elektronikbox mit Kabeln

Diese Einheit wurde in die Zentraleinheit des Systems DATAMIR eingebaut, die Verbindungskabel zu DATAMIR MON4, MON5, MON6 fertig montiert geliefert.

Masse: 2,0 kg
Abmessungen: 251 mm x 142 mm x 129 mm
Leistungsaufnahme: 20 W

Aluminiumcontainer mit Zusatz- und Reservebauteilen
  • Operatorbox (OB MON) mit den Vorverstärkern für die elektro-physiologischen Signale
  • CCD - Videokamera KTB1
  • Befestigungsvorrichtung für für KTB1
  • CCD - Videokamera KTB2
  • Befestigungsvorrichtung für für KTB2
  • Helmaufsatz mit einer Zeigelampe und 5 Infrarotdiodenpaaren
  • Kopfhörer zur Befestigung des Helmaufsatzes am Kopf der Versuchsperson
  • Leuchtdiodenmatrix Elektronikbox (EB-Matrix MON)
  • Reservelampe Helm/Stab
  • Reservesicherungen
Masse: 7,6 kg
Abmessungen: 545 mm x 360 mm x 150 mm

Stoffhülle 1 mit Apparaturkomponenten
  • Zeigestab mit einer Zeigelampe und 5 Infrarotleuchtdioden
  • Reflexstimulator
  • Leuchtdiodenmatrix Lineal (4 Stück) mit je 7 Leuchtdioden
  • Leuchtdiodenmatrix Abdeckungen (4 Stück) zur Bildung eines farblich einheitlichen Matrixhintergrundes
Masse: 5,7 kg
Abmessungen: 535 mm x 240 mm x 190 mm

Stoffhülle 2 mit Apparaturkomponenten
  • Kabel MON1 (Verbindung Elektronikbox - Operatorbox)
  • Kabel MON2 (Verbindung Elektronikbox - Videokamera KTB1)
  • Kabel MON3 (Verbindung Elektronikbox - Videokamera KTB2)
  • Elektrodenkabel EMG
  • Elektrodenkabel EOG/EKG
  • Elektrodenkabel EMG für Reflexstimulation
  • Satz Elektroden (100 Stück)
  • Satz Reinigungstücher
  • Satz Fixiermanschetten für Elektrodenkabel (4 Stück)
  • Hemden MONIMIR/MOTOMIR
  • Gürtel zur Befestigung der Operatorbox an der Versuchsperson
  • Gurte zur Befestigung der Versuchsperson (3 Stück)
Masse: 5,1 kg
Abmessungen: 510 mm x 235 mm x 170 mm

Experimentatoren

Medizin:
Univ.-Prof. Dr. Franz Gerstenbrand (Institutsvorstand)
Univ.-Prof. Dr. Meinhard Berger (Projektverantwortlicher)
Univ.-Prof. Dr. Serguei Mechtcheriakov
Dr. Silvia Lechner-Steinleitner
alle: Universitätsklinik für Neurologie, Innsbruck

Prof. Dr. Inessa Benediktina Koslovskaja
A. Sokolov
B. Babaev
alle: IMBP (Institut für Biomedizinische Probleme), Moskau