Exkursionsbericht des Biologie-Leistungskurs

Bei strömendem Regen ging es für den Biologieleistungskurs von Frau Jarosch am Mittwoch, den 07.07.2021, nach Tübingen. Wir hatten Glück, denn dort warteten spannende Experimente, motivierte Hiwis und die Sonne 😉

Jeden Tag werden wir mit Lernen konfrontiert, doch was im Gehirn wirklich abläuft, konnten wir noch nicht endgültig klären. Deshalb haben wir uns alle gespannt auf den Weg gemacht, um dieser oder anderen spannenden Fragen auf den Grund zu gehen. Da nicht alle neurowissenschaftlichen Versuche an der Schule durchführbar sind, haben wir die Möglichkeit genutzt, im Schülerlabor für Neurowissenschaften in Tübingen einen ganzen Tag wie Wissenschaftler zu arbeiten. Unsere Forschungsgruppen beschäftigten sich mit unterschiedlichen Schwerpunkten:

Gruppe 1: Wir haben uns mit der Messung und Auswertung von Hirnströmen mit dem EEG beschäftigt. Hätten Sie es für möglich gehalten, einen Ball mit Hilfe von Konzentrationskraft durch einen kleinen Hindernisparcours schweben zu lassen? Unsere Gruppe auf jeden Fall nicht. Mit diesem kleinen Einstiegsspiel begann unser Forschungstag. Dieses Spiel lieferte noch keine genauen wissenschaftlichen Ergebnisse, aber wir wollten wissen, was im Gehirn passiert, wenn ein Reiz die Lichtsinneszellen im Auge erregt. Der Biologieinformatikstudent Marcel unterstütze uns hierbei. Um die Hirnströme nach einem Reiz und die Verarbeitung der Erregung im Gehirn messen zu können, wurden jeweils zwei Gruppenmitglieder an ein EEG angeschlossen.
Unsere beiden Probanden spielten Schach, bzw. ihnen wurden verschiedene Schachbretter visuell per Computer angezeigt – von vielen Feldern, Helligkeitsunterschieden, einer Kontrastvarianz bis hin zu einem Schachbalken, der über den Bildschirm wanderte, war alles dabei. Diese Versuche gaben Aufschluss, wie unterschiedlich lang eine Verarbeitung im Gehirn dauert und was schneller bzw. weniger schnell verarbeitet werden kann. Bei dem Schachbrett mit ganz vielen Felder dauerte die Verarbeitung an der primären Sehrinde zum Beispiel am kürzesten. Des Weiteren gab es noch einen Versuch, bei dem drei Gegenstände (Schlüssel, Gabel, Frau) mit ähnlichem Hintergrund in zufälliger Reihenfolge gezeigt wurden. Markant war, dass bei Anzeigen der Frau, die Aktivität höher wurde. Dies liegt aber keineswegs nur an der „leichtbekleideten“ Frau – nein, es liegt daran, dass bei Menschen Emotionen verknüpft werden.

Gruppe 2: Pantoffeltierchen & Ameisen als Vorbild für Roboter?
Der ASURO ist ein kleiner, fahrender Roboter, der neben mehreren Tastsensoren auch noch zwei Helligkeitssensoren besitzt. In unserem Experiment haben wir versucht, dem Roboter durch Programmierung ein tierisches Verhalten beizubringen. In einem ersten Schritt haben wir dem Roboter beigebracht, mit Hilfe seiner Tastsensoren verschiedenen Hindernissen auszuweichen. Dabei war das biologische Vorbild das Pantoffeltierchen. Dieser Einzeller nimmt durch feine Cilien Hindernisse wahr und kann diesen so ausweichen. So konnte auch der Roboter nach einiger Programmierarbeit durch seine Tastsensoren selbstständig Hindernissen, wie z. B. Wänden, ausweichen. In einem zweiten Schritt beschäftigten wir uns Ameisen als Vorbild für den ASURO . Diese können durch das Ausschütten von Botenstoffen einen Weg, beispielsweise zu einer Futterquelle, markieren. Über ihre Fühler können ihre Artgenossen den markierten Weg nachverfolgen. Dieses Prinzip lässt sich über die Helligkeitssensoren des Roboters nachahmen. Farbkontraste auf dem Untergrund, wie z. B. Linien, werden so detektiert und der Roboter fährt auf der vorgesehenen Strecke, also entlang der markierten Linie. Aus den Teilexperimenten nehmen wir mit, dass Roboter entsprechend programmiert werden und tierisches Verhalten nachahmen können.

Gruppe 3: Im Zug lässt sich beobachten, dass die Augen jener Mitfahrender, die aus dem Fenster schauen, schnell hin und her zucken. Diese Blicksprünge werden als Sakkaden bezeichnet, welche die schnellsten Bewegungen des menschlichen Körpers sind. Um diese nachzuweisen, haben wir mit Hilfe eines Bildschirms, einer Mini-Kamera, einer Infrarotlampe und einer Halterung für den Kopf sowie einem speziellen Programm die Bewegungen der Augen unserer Probanden, aufgezeichnet und nachverfolgt. Um ein aussagekräftiges Ergebnis zu erzielen, haben wir vier Bilder ausgesucht, die wir allen Probanden (drei männliche, drei weibliche) gezeigt und die aufgezeichneten Blickbewegungen miteinander verglichen haben. Die Hälfte der Probanden sollte auf einem Wimmelbild Angestellte suchen, die andere Hälfte sollte das Bild nur betrachten. Bei der Auswertung der Bilder konnten wir einen deutlichen Unterschied in den Blickbewegungen dieser beiden Gruppen feststellen. In der Auswertung weiterer Bilder ließen sich geschlechtsspezifische Unterschiede in den Blickbewegungen feststellen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Thema Blickbewegungen sehr interessant und vor allem vielfältig ist.

Gruppe 4: Motorisches Lernen entspricht dem Lernvorgang einer Bewegung, trotz bzw. wegen eines Umwelteinflusses. Um dies zu belegen, führten wir einen Dart-Versuch durch. Dabei warfen wir zuerst Pfeile ohne Umwelteinfluss auf eine Dartscheibe und danach mit einer Prismenbrille. Diese Brille verschob das Sichtfeld um 10° nach rechts. Nach mehreren Versuchen – durch motorisches Lernen – „wusste“ unser Gehirn, dass wir weiter nach links werfen müssen. Wer ist schon mal gelaufen, ohne zu wissen wo oben bzw. unten ist? Oder wo links bzw. rechts ist? Mit einer sogenannten Umkehrbrille führten wir dazu unseren nächsten Versuch durch. Durch die Brille wurde in unserem Blickfeld oben mit unten vertauscht. Die Aufgabe im Versuch war es, auf einer Tafel unseren Namen schreiben oder einen Gegenstand im Raum zu suchen. Das ist gar nicht so einfach, wie man vielleicht im ersten Moment denkt. Bei unserer Recherche haben wir herausgefunden, dass hier das motorische Lernen erst nach sechs bis sieben Tagen seine Wirkung zeigt. Die Bilder, die wir sehen, werden vom Gehirn von Anfang an auf den Kopf gestellt, damit wir sie richtig herum sehen. Durch die Brille lernt das Gehirn, die Bilder nicht mehr umdrehen zu müssen. Somit kann man nach mehreren Tagen mit der Brille wie im normalen Alltag leben.

Gruppe 5: Digitalkamera vs. Menschliches Auge, optische Täuschungen
In verschiedenen Versuchsansätzen haben wir das Auflösungsvermögen unseres Auges am gelben Fleck, dem Ort des schärfsten Sehens, mit dem in der Peripherie verglichen. Zum Vergleich: Würde man den Fingernagel vom Daumen in 60 Linien einteilen, könnte man diese selbst bei ausgestreckten Arm noch erkennen. Wäre das Auflösungsvermögen nicht so stark, müsste unser Sehnerv den Durchmesser eines Elefantenrüssels haben. Außerdem haben wir weitere spannende Experimente zu optischen Täuschungen und Illusionen gemacht. Doch auch Wissenschaftler werden manchmal hungrig, zum Glück wurde in den kleinen Pausen durch Kuchen und in der Mittagspause durch Pizza ausreichend für Nachschub gesorgt. Als dann die Akkus wieder aufgeladen waren, wurden weitere Versuche gemacht und Präsentationen erstellt, um die Ergebnisse den anderen Gruppen im Plenum zu zeigen.

Diese Exkursion war für uns sehr spannend und ist immer wieder Willkommen in unserem Schulalltag. Wir bedanken uns ganz herzlich beim Team von Prof. Ilg und dem Förderverein des GymNeck, der uns mit einer Spende (für Laborkosten) unterstützt und diesen tollen Tag mit ermöglicht hat.