Ziel

Selbst einfachste Willkürbewegungen erfordern die Erstellung eines Handlungsplans. In sequentiellen Greifaufgaben wird nicht für jede Bewegung ein neuer Plan erstellt, sondern der vorige Plan teilweise wiederverwendet. Wiederverwendung zeigt sich in einem Verharren auf der vorigen Postur, genannt Motorhysterese. Werden übereinander liegende Schubladen in sequentieller Abfolge geöffnet, findet man stärker pronierte Griffe in ab- und stärker supinierte Griffe in aufsteigenden Sequenzen. Eine mögliche Erklärung für den Hystereseeffekt liefert die cost-optimization Hypothese. Diese besagt, dass Handlungspläne in sequentiellen Aufgaben mit einem variablen Anteil an Wiederverwendung erstellt werden. Ein hoher Anteil reduziert die kognitiven Kosten der Planung, erhöht aber durch stärkeres Verharren auf dem vorigen, suboptimalen Griff die mechanischen Kosten der Ausführung. Ein mittlerer, optimaler Anteil minimiert die Gesamtkosten der Bewegung. Der optimale Anteil kann über ein mathematisches Modell ermittelt werden. Er hängt von der Gewichtung der kognitiven und mechanischen Kosten ab. Auf Basis des Modells wird vorhergesagt, wie Änderungen der kognitiven oder mechanischen Kosten den optimalen Anteil beeinflussen. Eine Erhöhung der mechanischen Kosten sollte den Anteil an Wiederverwendung - und somit den Hystereseeffekt - verringern. Diese Vorhersage konnte in einer vorherigen Studie bestätigt werden. Im Rahmen des beantragten Forschungsvorhabens soll geprüft werden, ob die cost-optimization Hypothese auch für Änderungen der kognitiven Kosten Gültigkeit behält. Hierzu sind zwei Experimentalreihen geplant: In der Ersten werden die kognitiven Kosten erhöht, indem die verfügbaren kognitiven Ressourcen durch eine Sekundäraufgabe aufgebraucht werden. In der Zweiten nutzen wir intrinsische Unterschiede in den kognitiven oder mechanischen Kosten, die durch hemisphärische Lateralisation entstehen. Studien zeigen an, dass (1) die linke Hemisphäre dominant bei der Handlungsplanung ist und (2) die dominante Hemisphäre überlegene Kontrolle der Bewegungsdynamik bietet. Wir erwarten somit geringere kognitive Planungskosten in der rechten und geringere mechanische Ausführungskosten in der dominanten Hand. Unterschiede in der Stärke des Hystereseeffekts zwischen den Extremitäten sollten dies abbilden. Gilt die cost-optimization Hypothese, kann das zugrunde liegende mathematische Modell genutzt werden, um die Gewichtung kognitiver und mechanischer Kosten während der Handlungsplanung zu schätzen. Hierzu variieren wir die mechanischen Kosten einer zweiteiligen Bewegungsaufgabe und messen den jeweils optimalen Anteil an Wiederverwendung. Auf Basis der ermittelten Funktion wird die Gewichtung der beiden Kostenfaktoren durch Modellanpassung bestimmt. Diese dritte Experimentalreihe erlaubt es abzuschätzen, wie während der Erstellung eines Handlungsplans 1 Nm mechanischer Arbeit gegen die kognitiven Kosten einer vollständigen Neuplanung verrechnet wird.
(DFG-Projektnummer 322322134)

Ziel

Even the simplest voluntary movements require the creation of a motor plan. In sequential reaching tasks, motor plans are not created from scratch for every movement, but the former plan is partially reused. This reuse manifests in a persistence on the former posture, termed motor hysteresis. When a column of drawers is opened in sequential order, for example, people persist on a more pronated posture in the descending and on a more supinated posture in the ascending sequence. The motor hysteresis effect is explained by the cost-optimization hypothesis, which states that motor plans in a sequential task are created by a modification of the former plan, but with a varying fraction of reuse. A larger fraction of reuse reduces the cognitive cost of motor planning. At the same time, the larger persistence on the former, less optimal posture increases the mechanical cost of motor execution. The summed cost of the movement is minimized at an intermediate, optimal fraction of reuse.The optimal fraction of reuse can be determined by a mathematical model. It depends on the relative weights assigned to the cognitive and mechanical cost of the task. Based on the mathematical model, one can predict how changes in the cognitive or mechanical cost of the task affect the fraction of reuse. An increase of the mechanical cost should decrease the optimal fraction of reuse and, in turn, the size of the hysteresis effect. This prediction has already been confirmed in a previous study of ours. In the proposed research program, we want to test whether the cost-optimization hypothesis also holds true for changes in the cognitive cost of a task.To this end, we conduct two lines of experiments. In the first line, we experimentally increase the cognitive cost by depleting the available cognitive resources with a concurrent memory task. In the second line, we exploit intrinsic differences in the cognitive or mechanical cost, which are a result of hemispheric lateralization. Studies suggest that (1) the left hemisphere is dominant in motor planning and (2) the dominant hemisphere has superior control of limb dynamics. We therefore expect less cognitive cost of motor planning in the right limb and less mechanical cost of motor execution in the dominant limb, which should be reflected by according differences in hysteresis effect size between limbs. If the cost-optimization hypothesis holds true, the underlying mathematical model can be used to estimate the relative weights assigned to the cognitive and mechanical cost during motor planning. To this end, we vary the mechanical cost of a two-parts movement sequence and measure the corresponding fractions of reuse. Based on this function, the weights of the two cost factors are determined by a model fit. This third line of experiments ultimately provides an estimate of how, during motor planning, 1 Nm of mechanical work is rated against the cognitive cost for the creation of a grasping movement plan from scratch.
(DFG-Projekt number 322322134)