Als Bewegungslernen () bezeichnet man die relativ dauerhafte Veränderung eines Bewegungsablaufs (Koordinationsmuster der Muskeln) eines Lebewesens, wenn dies durch die Absicht erfolgt, ein bestimmtes Ziel, das man bis dahin noch nicht erreichen konnte, durch diesen Bewegungsablauf zu erreichen (z. B. ein Hindernis überspringen, einen Ball fangen, eine Fremdsprache sprechen lernen oder nach einem Schlaganfall das Gehen wieder erlernen). Dieser Vorgang muss nicht bewusst sein. Auch die Verbesserung eines Bewegungsablaufs (Ökonomisierung, schnellere, flüssigere Ausführung) ist ein Bewegungslernen.
Bewegungslernen findet ständig statt, da es auch zur Anpassung an neue Umweltsituationen dient. Insofern ist das Bewegungslernen ein wesentlicher Bestandteil der evolutionären Entwicklung der Lebewesen. Da das Bewegungslernen durch die Sinnesorgane gesteuert (Suchen und Einschätzen des Ziels) und geregelt wird (ständige online Überprüfung, ob man auf dem richtigen Weg zum Ziel ist), spricht man auch von sensomotorischem Lernen. Berufe, zu deren Ausübung gute Kenntnisse des Bewegungslernens notwendig sind, sind die des Sportlehrers, des Trainers, des Ergo- und des Physiotherapeuten.
Gegenstand des Bewegungslernens Im Allgemeinen verbinden wir mit dem Begriff des Bewegungslernens die Vorstellung des Lernens von Bewegungsabläufen aus dem Bereich des Sports. Auch das Erlernen oder Verbessern von Bewegungsabläufen in der Physiotherapie ist uns geläufig. Dazu gehört z. B. das Lernen (bzw. Wiedererlernen) des Gehens nach einer Verletzung des Bewegungsapparats (Knochenbruch, Gelenk- oder Sehnen-, Bänderverletzung, Amputation) oder des Nervensystems (Schlaganfall, Querschnittlähmung).
Etwas anders verhält es sich mit dem Bewegungslernen in der Ergotherapie, weil es hier weniger darauf ankommt, den physiologischen Ablauf zu üben, als vielmehr darauf, durch die Bewegung eine Handlung zu vollziehen, die immer einen Zweck, eine bestimmte Bedeutung hat.
Das Gehen ist ein Beispiel für eine Alltagsbewegung, wie Sprechen, Schreiben, Lasten Tragen etc., die zunächst gelernt werden, dann aber ständig unseren aktuellen Umgebungsbedingungen und Veränderungen unseres Körpers (z. B. Wachstum, Altern) angepasst werden müssen. Ein weiterer Bereich des Bewegungslernens betrifft die beruflichen Tätigkeiten. Dazu gehören z. B. Bewegungen beim Handwerken, beim Spielen eines Musikinstruments, beim Malen, Bild-Hauen oder bei der Akrobatik. Besondere Anforderungen an das Bewegungslernen stellen das Singen (Mund-, Rachen- und Körperbewegungen) oder das Erlernen (Motorik der Aussprache) einer fremden Sprache dar.
In der heutigen Zeit der Technisierung der Welt spielen Roboter eine zunehmende Rolle. Deren Bewegungen müssen programmiert werden. Das Wissen dazu wird aus der Kenntnis natürlicher Bewegungen abgeleitet. Die aktuelle Entwicklung geht dahin, dass die Roboter dazu in die Lage versetzt werden sollen, auch Lernprozesse und Optimierungen von Bewegungsabläufen selber zu initiieren und durchzuführen. Daran arbeitet vor allem die Forschergruppe um Daniel M. Wolpert in Cambridge (UK).Daniel M. Wolpert, Jörn Diedrichsen, J. Randall Flanagan: Principles of Sensorimotor Learning. In: Neuroscience. 12, 2011, S. 747–748.
Funktion und biologische Grundlagen Bewegungslernen erfolgt durch Imitation, Ausprobieren (ähnlich wie Trial and Error) oder Instruktion. Meist sind alle diese Vorgehensweisen beteiligt.
Die Fähigkeit lebender Organismen, neue Bewegungen zu erlernen und diese neuen Situationen anzupassen, beruht auf der Plastizität des Nervensystems und den biochemischen Eigenschaften der Nervenzellen. Von den Nervenzellen aus werden die Muskeln aktiviert, das bedeutet, es werden Anfang und Ende sowie die Stärke (Intensität) ihrer Anspannung bestimmt.
Um das Verständnis des Zusammenspiels zwischen Nervenzellen und Muskeln zu verstehen, bedarf es der Kenntnis von Aufbau und Funktionsweise von Muskeln und Nerven.
Muskulatur Aufbau Es gibt drei verschiedene Muskeltypen (siehe Muskulatur) im menschlichen Organismus: Die glatten Muskeln, den Herzmuskel und die Skelettmuskeln. Sie unterscheiden sich leicht in ihrem Aufbau. Der Skelettmuskel ist die Funktionseinheit im menschlichen Organismus, der für die Bewegungen des Körpers verantwortlich ist. Dafür sind zwei seiner Merkmale verantwortlich:
Er ist kontraktil, d. h. er kann sich verkürzen (Kontraktion, aktiv) und erschlaffen (passiv). Er ist mit mehr als einem Knochen verbunden. Deswegen ist er in der Lage, die Knochen, mit denen er verbunden ist, zu bewegen.
Der Skelettmuskel wird auch als quer gestreifter Muskel bezeichnet, weil seine Feinstruktur im Mikroskop eine Querstreifung zeigt. Der Aufbau, der zu dieser Querstreifung führt, ist dafür verantwortlich, dass sich der Muskel kontrahieren kann.
Ein quer gestreifter Muskel besteht aus mehreren (die Anzahl ist von seiner Größe abhängig) parallelen Muskelfaserbündeln. Er ist von einer Bindegewebshülle, der Muskelfaszie, umgeben. Die Muskelfaserbündel bestehen ihrerseits wiederum aus Muskelfasern, das sind die Muskelzellen. Auch diese wiederum bestehen aus einer größeren Anzahl von parallelen Strukturen, den Myofibrillen, die für die Kontraktion des Muskels verantwortlich sind. Auch diese sind mit einem Bindegewebe eng umgeben und bilden mit diesem eine Funktionseinheit.
Funktion Für jede Bewegung des Körpers sind mindestens zwei Muskeln notwendig. Einer, der Agonist (griechisch αγω = tun, in Bewegung setzen), der sich kontrahiert und dadurch aktiv die Bewegung in einem Gelenk hervorruft, ein anderer Muskel in der Regel an der „Gegenseite“ des Gelenks gelegen, muss diese Bewegung zulassen, indem er sich dehnen lässt. Dieser Muskel wird als Antagonist (griechisch αντι ‚entgegen‘) bezeichnet. Beim Lernen eines neuen Bewegungsablaufs muss die Arbeit dieser Muskeln so aufeinander abgestimmt werden, dass eine erfolgreiche und geschmeidige Bewegung entsteht. Wird eine Bewegung zum ersten Mal ausgeführt, werden meistens Agonist und Antagonist zusammen aktiviert und kontrahieren sich. Das ist nicht sehr ökonomisch. Im Laufe des Lernprozesses, also der Übung bzw. der Wiederholungen muss der Antagonist „lernen“ die Aktivierung „zurückzufahren“ und der Agonist, nur so viel an Kontraktion aufzubringen, dass die Bewegung erfolgreich und ökonomisch wird. Das muss für alle an der Bewegung beteiligten Muskeln geleistet werden und erfolgt durch interne Rückkoppelungs-(Regelungs-)prozesse.
Die Aktivierung bzw. Nichtaktivierung der einzelnen Muskeln erfolgt (als die letzte gemeinsame Endstrecke der Motorik) über die motorischen Nervenzellen, die Motoneurone im Rückenmark. Von dort ziehen Nervenleitungen zu den Muskelfasern in den Muskeln. Dort enden sie an speziellen Strukturen, den Motorischen Endplatten. Wird ein elektrisches Signal (Aktionspotential) vom Motoneuron über diesen Nerv bis zu den motorischen Endplatten am Muskel gesendet, wird dieses Signal unter Umwandlung in einen chemischen Prozess auf den Muskel übertragen. Dort kommt es durch spezifische chemische, elektrische und mechanische Prozesse zur Kontraktion der Muskelfasern. Es werden jeweils mehrere, aber unterschiedlich viele, Muskelfasern von einem Motoneuron gleichzeitig innerviert. Diese Gruppe zusammen mit dem betreffenden Motorneuron wird als motorische Einheit bezeichnet.
Ein Muskel enthält viele – häufig über 1000 – Muskelfasern, die zu verschiedenen Motorischen Einheiten zusammengefasst sind. Es werden bei der Ausführung eines Bewegungsablaufs nie alle Motorischen Einheiten eines Muskels innerviert – außer in absoluten Notfällen. Die Auswahl der aktivierten Motorischen Einheiten folgt zwar einer bestimmten Regel (dem size principle: Das bedeutet, es werden zuerst kleine motorische Einheiten innerviert, dann immer größere), aber es müssen nicht immer bei jedem Ablauf dieselben sein.
Veränderung durch Lernen Beim Lernen neuer bzw. der Modifikation von Bewegungsabläufen werden am Beginn des Lernprozesses immer sehr viel mehr Motorische Einheiten für den Ablauf aktiviert, als unbedingt notwendig ist. Damit soll die Sicherheit der Ausführung gewährleistet werden – zur Absicherung der Ausführung. Es führt aber häufig auch dazu, dass der Bewegungsablauf etwas grob und eckig aussieht. Im Laufe der Verbesserung (durch Wiederholung ≈ Übung) wird die Anzahl der aktivierten Motorischen Einheiten immer mehr reduziert (das bedeutet, dass immer weniger Nervenzellen aus der Menge – dem pool – der Motoneurone, die für den betreffenden Muskel zuständig sind, ein Aktionspotential aussenden) bis ein Optimum erreicht ist, mit dem das Bewegungsziel noch sicher erreicht wird. Der Bewegungsablauf sieht in diesem Stadium leicht und geschmeidig aus. Auch die Dauer der Muskelkontraktion wird im Laufe des Lern-(Übungs-)Prozesses für den betreffenden Bewegungsablauf angepasst. Diese Vorgänge sind Prozesse der Ökonomisierung.
Die Auswahl der aktivierten Motorischen Einheiten erfolgt durch Neurone auf einer höheren Ebene, die die Motoneurone aktivieren. Diese Auswahl kann durch Lernprozesse einer neuen Aufgabe (Zielsetzung) angepasst werden. Aber auch die Motoneurone selbst können durch höhere Einflüsse so auf neue Aufgaben eingestellt werden, dass sie mehr oder weniger Transmitter (hier das Acetylcholin) ausschütten. Das führt zu einer Veränderung der Kontraktionsstärke. Das bedeutet allerdings nicht, dass die Kontraktionsstärke nicht bei jeder einzelnen Bewegungsausführung an die aktuellen Notwendigkeiten (Regelung jedes einzelnen Ablaufs) angepasst wird.
Da auch die Bewältigung größerer Lasten eine Anpassung (also ein Lernen) darstellt, gehört auch die Vermehrung von Mitochondrien sowie die Verdickung von Muskelzellen, die durch Ausdauertraining und Krafttraining erfolgt, zu den Veränderungen des Muskels durch Lernen.
Nervensystem Aufbau Das Nervensystem besteht aus dem zentralen Nervensystem: Großhirn, Kleinhirn, Hirnstamm und Rückenmark und dem peripheren Nervensystem (Nervenleitungen zu den Erfolgsorganen). Durch das Lernen von Bewegungen kommt es zu Veränderungen in allen Teilen dieses Systems.
Der zentrale Baustein des Nervensystems ist die Nervenzelle. Die Form der Nervenzellen kann, je nach ihrer Aufgabe, sehr unterschiedlich sein, ihr Aufbau ist aber immer gleich. Sie besteht aus dem Zellkern (Nucleus), der im Körper (Soma) der Nervenzelle liegt. Dieser ist mit dem Zellplasma gefüllt und wird von einer Membran umgeben. Im Plasma befinden sich zahlreiche Organellen, die zum Teil zum Transport von Substanzen, zum Beispiel Proteinen, zwischen Kern und Membran notwendig sind, der Erneuerung der Nervenzelle oder zur Unterstützung der Informationsverarbeitung dienen.
Die einzelnen Nervenzellen tauschen über ihre Fortsätze (Dendriten und Axone) Informationen aus. Jede Nervenzelle verfügt über eine große Anzahl von Dendriten, aber nur jeweils über ein Axon. Beide Arten der Fortsätze sind an ihren Enden sehr stark verzweigt. Die Axone enden an den Dendriten, am Körper anderer Nervenzellen oder an Axonen, meist anderer Nervenzellen. An den Endpunkten haben sie spezifische Verdickungen, die Synapsen.
Im Rückenmark befinden sich Motoneurone und Interneurone. Die Zielgebiete der Axone der Motoneurone sind keine anderen Nervenzellen, sondern die Fasern der Muskeln. Die Axone der Interneurone enden an Motoneuronen oder anderen Interneuronen und können auf diese Weise dazu dienen, Netzwerke zu bilden.
Funktion Die Aufgabe der Nervenzellen ist es, Informationen aufzunehmen, diese zu verarbeiten und die Ergebnisse weiterzuleiten. Ihre Informationen erhalten sie über die Synapsen der Dendriten. Das Ergebnis der Informationsverarbeitung geben sie über das Axon weiter. Der Träger der Information ist das Aktionspotential. Da ein Aktionspotential immer die gleiche Form hat, liegt die Information in der Frequenz des Aktionspotentials. Diese kann zum Beispiel gleichmäßig sein oder in spezifischen Gruppierungen auftreten.