Nur ein einziges Wesen auf unserem Planeten beherrscht den einhändigen Präzisionswurf: Homo sapiens. Forscher fanden heraus, was den Menschen zum Top-Werfer macht.
Bei 2750 war Schluss am Abend jenes 15. November 1993. Seit zwölf Stunden bereits hatte Tom Amberry, ein 71-jähriger Pensionär aus Seal Beach/Kalifornien, einen Freiwurf nach dem anderen im Basketballkorb der örtlichen Turnhalle versenkt – ohne auch nur ein einziges Mal danebenzuwerfen. Doch zum 2751. Versuch durfte Amberry nicht mehr an die Freiwurflinie treten: Der Hausmeister machte Feierabend und schloss die Halle. Der Werfer und seine zehn Zeugen wurden an die Luft gesetzt.
Für den Eintrag ins „Guinness Buch der Rekorde” hatte es aber längst gereicht. Auch wenn ihn drei Jahre später sein Landsmann Ted St. Martin aus Jacksonville/Florida mit 5221 aufeinanderfolgenden verwandelten Freiwürfen entthronen sollte: Amberry alias „Dr. Tom”, wie der ehemalige medizinische Fußpfleger bei seinen Fans heißt, ist seitdem die Ikone des Basketball-Freiwurfs. Er berät Spieler, gibt Kurse und rummelt in TV-Shows für sein Buch und sein Trainings-Video.
Auf seiner Internet-Seite verrät Amberry einen Teil seines Geheimnisses: „Niemals einen negativen Gedanken an der Freiwurflinie zulassen. Wenn ich werfe, denke ich an nichts anderes. Ich bin zu hundert Prozent sicher, dass ich den Korb treffen werde.”
Nur eine Frage der richtigen Einstellung also? Dr. Tom, die lebende Legende, räumt ein: „Es ist auch wichtig, dass der Bewegungsablauf stimmt. Wenn man einmal gelernt hat, seinen Körper in die richtige Position zu bringen und korrekt zu werfen, ist der Rest nur noch mental.”
Das klingt simpel. Aber das Gegenteil ist der Fall. „Gezielt werfen – das gibt es nur bei ganz wenigen Spezies”, erklärt Hermann Müller, Privatdozent am Sportwissenschaftlichen Institut der Universität des Saarlandes in Saarbrücken und renommiertester Wurf-Experte in Deutschland. „Chamäleon und Frosch führen mit ihrer Zunge ebenfalls ballistische Bewegungen aus, wenn sie Insekten fangen. Aber den einhändigen Präzisionswurf beherrscht ausschließlich der Mensch.” Nicht einmal die Menschenvettern können mithalten. Zwar werfen Orang-Utans von Bäumen aus beidhändig Äste nach Feinden am Boden, wie die kanadische Primatologin Biruté Galdikas 1983 beobachtete. Ihre britische Kollegin Jane Goodall berichtete 1986, dass Schimpansen unter wildem Gekreisch sowohl ein- als auch beidhändig Steine oder Äste in Richtung Angreifer schleudern. Aber in beiden Fällen kommt es fast nie zu Treffern: Es ist nur Imponiergehabe, um den Feind einzuschüchtern.
Menschen hingegen sind geborene Werfer, von Kindesbeinen an – und durch Übung zu Spitzenleistungen an Präzision fähig. Geübt wird vom ersten Lebensjahr an und in der Regel, ohne von den Eltern dazu angehalten worden zu sein: Vom Baby, das immer wieder seine Rassel aus dem Kinderbett wirft, über den Halbwüchsigen, der stundenlang seinen Ball ans Garagentor pfeffert, bis zum jungen Erwachsenen. Denn auch der – zumal, wenn männlich – legt die Lust am Zielwurf meist nicht ab. Die beim Herbstspaziergang aufgehobene Kastanie erleidet das gleiche Schicksal wie ein am Strand aufgelesener Kiesel: Beide werden energisch geworfen.
Heutzutage ist es belanglos, ob die Kastanie oder der Kiesel das anvisierte Ziel treffen. Doch mehr als eine Million Jahre lang, mit Sicherheit schon seit den Zeiten der frühen Jäger Homo ergaster und Homo erectus, war Treffsicherheit mit ausschlaggebend für erfolgreiches Beutemachen – und damit fürs Überleben. Das prägt.
Die Gehirne der heute lebenden Menschen tragen die Spuren einer frühen Arbeitsteilung. Wurf-Forscher Hermann Müller hat eine reine Frauen- und eine reine Männergruppe mit denselben Zielwurfübungen trainiert. Das Ergebnis: „Die Treffsicherheit beider Gruppen wurde signifikant besser – aber die Lernkurven liefen parallel nebeneinander her. Die Männer zielten zu Beginn des Trainings durchschnittlich um 25 Prozentpunkte besser als die Frauen. Am Ende betrug der Abstand, auf höherem Präzisionsniveau, immer noch 15 Prozentpunkte.” Das Erbe der Jäger: Männer sind im Bevölkerungsdurchschnitt durch die seit grauer Vorzeit wirksame Selektion – schlechte Beutemacher hatten weni- ger Nachkommen – zu präziseren Werfern als Frauen geworden.
Ob Stein, Ball, Speer, Pfeil oder Gewehrkugel: Ein Projektil in einer ballistischen Wurfbahn mit hoher Genauigkeit ins Ziel zu lenken, erfordert komplexe Planungs- und Rechenarbeit im Gehirn (siehe Grafik oben: „Modell-Welten im Kopf”). Eine wichtige Rolle beim Wurf per Hand spielt der richtige Loslass-Zeitpunkt, an dem der Werfer die Finger öffnet und das geschleuderte Objekt auf seine Flugbahn schickt. Lässt er das Projektil zu früh los, gerät der Wurfwinkel zu groß, und das Projektil fliegt über das Ziel hinaus. Öffnet er jedoch die Finger zu spät, dann ist die Flugbahn zu niedrig und der Wurf fällt zu kurz aus.
Der Neurologe William H. Calvin von der University of Washington in Seattle hat 1983 Berechnungen angestellt, wie groß das Zeitfenster zwischen „zu früh” und „zu spät” für einen Jäger ist, der einen Stein auf ein hasengroßes Tier schleudert: Bei vier Meter Distanz zwischen Werfer und Ziel kam er auf 11 Millisekunden und bereits bei acht Meter Distanz – eine realistischere Annahme für eine Jagdsituation – auf nur noch 1,4 Millisekunden. Zum Vergleich: Ein Wimpernschlag dauert beim Menschen rund 100 Millisekunden.
Wie soll, fragte Calvin, eine durchs Rückenmark führende Nervenfaser (Motoneuron) den Befehl „Öffnen!” präzise innerhalb eines 1,4-Millisekunden-Zeitfensters in die Fingermuskulatur schicken, wenn diese Nervenbahn – das zeigen Messungen – lediglich mit einer Genauigkeit von bestenfalls 10 Millisekunden „ feuern” kann? Die Antwort des Neurologen: Es funktioniert, sofern am Ausgangspunkt des Signals im Gehirn sehr viele Neuronen gleichzeitig feuern, ähnlich wie sehr viele ungenau gehende Uhren im Mittelwert doch die korrekte Zeit anzeigen. So eliminieren sich die Fehler gegenseitig. Die den Wurf koordinierenden Regionen im Gehirn – vor allem der „Prämotorische Kortex”, ein Teil des linken Stirnlappens, sowie das Kleinhirn – haben im Lauf der menschlichen Evolution eine bemerkenswerte Fähigkeit entwickelt, postulierte Calvin: Diese Regionen können zeitweise die Neuronen in benachbarten Rindengebieten für ihre Aufgaben einspannen – etwa so, wie ein Bühnenchor das Publikum zum Mitsingen animiert. So kann die notwendige große Zahl an Nervenzellen zusammenkommen, um einen korrekten Mittelwert zu produzieren.
„Neuronale Plastizität” nennen die Forscher heute diese Fähigkeit des Gehirns zur Umverteilung von Aufgaben. Auch tierische Gehirne verfügen über diesen Trick – doch in geringerem Maß als das menschliche. Und was bei entsprechender Übung den Speer, den Dartpfeil oder den Basketball ins Ziel befördert, sind nur dem Augenschein nach Arm und Hand – letzten Endes wirft das Gehirn.
Die Selektion in Richtung auf Gehirne, die extrem schnelle Bewegungsabläufe immer besser kontrollieren konnten, habe auch in anderer Hinsicht eine „Schnellstraße für die Evolution der Hominiden” bedeutet, formulierte Calvin in den Neunzigerjahren in seiner „Throwing Hypothesis”: Die leistungsstarke neuronale Basis für präzises Werfen habe bei den Ahnen des heutigen Menschen weitere Innovationen überhaupt erst möglich gemacht. Vor allem eine entscheidende: die Fähigkeit zu komplexer Sprache.
„Sowohl Hand-Arm-Bewegungen als auch das Sprechen werden von denselben Arealen der Großrinde gesteuert”, argumentierte Calvin. Sprache erfordert eine exakt getimte Abfolge von Silben, die meist im Stakkato und trotzdem hochpräzise – Missverständnisse können tödlich sein! – in Bewegungen der Lippen-, Zungen- und Gaumenmuskulatur umgesetzt werden. Dafür benutzt das menschliche Gehirn denselben „Motorischen Sequenzer” im Präfrontalen und im Prämotorischen Kortex des linken Stirnlappens, der auch die Planung und Ausführung von ballistischen Würfen steuert. Dass Werfen und Sprechen dieselbe neuronale Basis im Gehirn haben, so Calvin weiter, sei auch hieran abzulesen: Bei Aphasikern – Menschen mit Sprachausfall aufgrund einer Schädigung des linken Stirnlappens – ist oft gleichzeitig die Hand-Arm-Motorik gestört. Für den Leipziger Wissenschaftler Yves von Cramon, Spezialist für Funktionsausfälle des Stirnlappens, ist dies allerdings kein hinreichendes Indiz (siehe Interview „Verhalf Werfen zum Sprechen?” auf der nächsten Seite).
Wurf-Fachmann Hermann Müller sieht Calvins „Throwing Hypothesis” aus heutigem Blickwinkel mit kritischer Sympathie: „ Seine Überlegungen haben mir damals wichtige Denkanstöße gegeben und mich angeregt, Wurfprozesse wissenschaftlich zu untersuchen. Ich denke, es ist schon etwas dran an seiner Hypothese – aber sie beschreibt die Wirklichkeit des Präzisionswurfs nicht vollständig. Heute ist unübersehbar, dass Calvin nicht realistisch modelliert hat.”
Unrealistisch waren die von Calvin errechneten 1,4 Millisekunden als Zeitfenster für einen Acht-Meter-Wurf auf ein hasengroßes Ziel. Jonathan Hore, Physiologie-Professor an der kanadischen University of Western Ontario, wies in den Neunzigerjahren in umfangreichen Versuchsreihen mit Testpersonen nach: Selbst Top-Werfer können einen Ball äußerstenfalls innerhalb eines Zeitfensters von 3 Millisekunden kontrolliert loslassen. Der durchschnittliche Werfer braucht ein Fenster von ungefähr 10 Millisekunden.
Die 1,4 Millisekunden, die Calvin berechnet hat, wären für Menschen nie erreichbar. Hier irrte der amerikanische Neurologe, der seine Zahlen lediglich theoretisch hergeleitet hat. Die Präzision geübter Werfer ist jedoch ein Faktum. Also müssen außer dem Zeitfenster-Problem weitere Faktoren bei der Zielsicherheit eine Rolle spielen – und die gibt es tatsächlich.
Der Saarbrücker Hermann Müller hat in seit 1999 laufenden Versuchsreihen mit anschließender Datenanalyse herausgefunden: „ Das richtige Zeitfenster exakt zu erwischen, ist in der Praxis des Werfens nicht entscheidend. Was den Menschen zum Könner in Sachen Präzision macht, ist die Kombination von drei erlernbaren Komponenten: Stabilität, Rauschreduktion und Kovariation.”
Allein Abwurfgeschwindigkeit und Abwurfwinkel bestimmen in Müllers Versuchen das Trefferergebnis. Erkennt der Werfer nach den anfänglichen Fehlversuchen, dass er – bei gleicher Streuung – allein durch Veränderung des Abwurfwinkels mehr Treffer landet, hat er die erste Lernhürde genommen: Seine Würfe zeigen jetzt „ Stabilität”. Reduziert er zusätzlich seinen Muskel-Tremor, wird die Streuung seiner Würfe kleiner – dann hat er „Rauschreduktion” erreicht. Schafft er es jetzt noch, leichte Patzer bei der Abwurfgeschwindigkeit jedes Mal durch eine Änderung des Abwurfwinkels zu kompensieren, beherrscht er die dritte Komponente: „Kovariation” (siehe „Wie der große Wurf gelingt” auf der linken Seite).
Als Versuchsaufbau für Müllers Analyse der drei Faktoren diente unter anderem ein Pendel – eine an einer Schnur befestigte Kugel, die von einem Pfosten herabhing. Diese Kugel mussten die Testpersonen um den Pfosten herumschwingen, um einen dahinter aufgestellten Kegel zu treffen. Später übertrug der Saarbrücker dieses Design in ein Rechnermodell, was die Auswertung und die Reproduzierbarkeit erleichterte.
Sämtliche Winkel-/Geschwindigkeits-Kombinationen, die zu einem Treffer im Ziel führen, ergeben aneinandergereiht die als Kurve darstellbare „äquifinale Bewegungsbahn”. Mathias Reiser, heute am Lehrstuhl für Trainingswissenschaft der Universität Gießen, hat Ende der Neunzigerjahre an der Universität des Saarlandes an Boulespielern und Dartwerfern nachgewiesen: Die Top-Könner haben den Bogen raus, stets sehr nahe an dieser idealen Bahn zu operieren. Innerhalb des Abwurf-Zeitfensters von 10 Millisekunden ist es dann irrelevant, wann genau sie das Projektil loslassen – dank Kovariation treffen sie dennoch so gut wie immer.
Und wie lernt man, sich entlang dieser Erfolgsbahn zu bewegen? Müller urteilt aufgrund eigener Untersuchungen an Spielern der deutschen Basketball-Bundesliga: „Stabilität und Kovariation lassen sich nachweislich durch Hinweise von außen fördern – üblicherweise vom Trainingsleiter. Aber die Rauschreduktion kann der Trainer nicht beeinflussen. Im Gegenteil: Er kann keinen größeren Fehler machen, als vor einem Freiwurf vom Spielfeldrand aus dem Spieler an der Freiwurflinie ,Konzentrier dich!‘ zuzurufen. Der gerät dann unter Stress und wirft häufig daneben.”
Nur der Werfer selbst kann das willkürliche Zittern seiner Muskulatur dämpfen. Ein Weg dorthin ist restlose Konzentration auf die Aufgabe: „Wenn ich werfe, denke ich an nichts anderes”, hatte Freiwurf-Wunder Tom Amberry sein Rezept beschrieben. Und was hilft noch? „Ganz klar – Zielwasser!”, verrät Hermann Müller schmunzelnd. „Alkohol setzt den Muskeltremor herunter, genau wie das Doping mit Pharmaka.”
Als praxisnahe Feldstudie empfiehlt der Saarbrücker Sportwissenschaftler, sich gelegentlich das Schauspiel eines britischen Dart-Wettbewerbs zu gönnen. „Das geht einen vollen Tag lang, die machen Tausende von gezielten Würfen – eine enorme Präzisionsleistung. Und dabei helfen schon mal zwei Whisky zwischendurch.” Thorwald Ewe■
Ohne Titel
· Der einhändige ballistische Präzisionswurf ist derartig komplex in Planung und Ausführung, dass nur ein Menschengehirn ihn steuern kann.
· Sogenannte interne Modelle im Gehirn, innere Abbilder der realen Welt, sorgen für die optimale Bewegungsplanung.
Ohne Titel
beim Präzisionswurf fängt, wie bei jeder anderen Bewegungskontrolle, alles im sogenannten Assoziations-Kortex des Gehirns an: Der Werfer stellt sich den gewünschten Endzustand vor. Er „sieht” beispielsweise seinen Speer im Zentrum der Zielscheibe. An mehreren Stellen im Gehirn – das Kleinhirn spielt hier eine wichtige Rolle – wird nun mithilfe eines „Inversen Modells” zurückgerechnet, welche Bewegungen notwendig sind, um ausgehend vom wahrgenommenen Anfangszustand dieses Ziel zu erreichen. Diese gedachten Bewegungen werden in Einzelschritte zerlegt und in die erforderliche Abfolge gebracht (Sequenzierung). Doch auch wenn dieses Programm im sogenannten Prämotorischen Kortex, der die Bewegungen steuert, vollständig vorliegt, folgt noch nicht unmittelbar der Wurf: In einem weiteren internen Modell, diesmal dem „Vorwärtsmodell”, macht der Prämotorische Kortex sozusagen einen virtuellen Probelauf. Aufgrund von früheren Erfahrungen – deshalb zahlt Üben sich aus! – erstellt diese Gehirnregion eine Vorhersage, was passieren wird, etwa „der Speer wird amZiel vorbeifliegen”, und korrigiert sofort die Planung. Jetzt folgt der Wurf, während dessen keine Korrektur der Bewegung mehr möglich ist. Das Kleinhirn, in dem die innere Uhr des Menschen tickt, kontrolliert dabei die korrekte Ausführung. Das wahrgenommene Ergebnis – Treffer oder Fehlwurf? – wird registriert und verfeinert als neue Erfahrung sowohl das Inverse Modell als auch das Vorwärtsmodell.
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Mit einem „virtuellen Pendel” kann der Saarbrücker Sportwissenschaftler Hermann Müller den Lernerfolg eines Werfers in drei unterschiedlichen Komponenten beobachten. Bei diesem in den Computer verlegten Versuchsaufbau hat die Testperson einen Hebel zu betätigen. Mit ihm „wirft” sie eine auf dem Monitor als Punkt erscheinende Kugel auf einer elliptischen Bahn um ein zentrales Hindernis herum und versucht, die Zielkugel dahinter zu treffen (unten links).
Nur zweierlei kann die Versuchsperson beeinflussen: die Geschwindigkeit des Wurfs und den Abwurfwinkel. In den Auswertungsdiagrammen (unten rechts), in denen die Geschwindigkeit gegen den Winkel aufgetragen ist – die Trefferzone ist stets weiß –, erscheint das Ergebnis in Serien zu je zehn Würfen als Punktwolke. Die Testpersonen durchlaufen eine Lernkurve und werden immer besser.
1. Die schlechten anfänglichen Ergebnisse entstehen, wenn der Werfer seine Winkel-Geschwindigkeits-Kombination so ungeschickt wählt, dass schon geringste Abweichungen von der Ideal-Kombination zum Verfehlen des Ziels führen.
2. Bessere Ergebnisse werden erzielt, wenn der Werfer gelernt hat, dass er den Abwurfwinkel ändern muss. Dann gelangt er in den Bereich, wo die Kurve der Trefferchancen sich verbreitert. Obwohl er mit der gleichen Streuung wirft wie zuvor, erzielt er mehr Treffer – er nützt jetzt die erste von drei Komponenten der Treffsicherheit („Stabilität”).
3. Der Werfer kann seine Leistung weiter verbessern, wenn er die Streuung der Punktwolke verringert. Die Streuung entsteht durch das „Rauschen” in der Muskulatur – die unwillkürliche Aktivierung einzelner Muskelfasergruppen durch unkontrolliert feuernde Neuronen im Gehirn. Wenn der Werfer sich konzentriert und dadurch sehr viel mehr Neuronen für die Aufgabe einspannen kann – dem Calvin’schen Bild von Chor und mitsingendem Publikum entsprechend –, erzielt er die zweite Komponente, nämlich „ Rauschreduktion”. Als Ergebnis ist die Punktwolke seiner Treffer nun viel dichter.
4. Schafft der Werfer es in der Folge, die ungewollte Abweichung der einen Größe – etwa des Abwurfwinkels – vom gewünschten Wert immer wieder geschickt durch Variation der anderen Größe zu kompensieren, heben beide „Fehler” sich großenteils auf. Dann trifft er immer wieder ins Ziel, obwohl er den Abwurf gar nicht genau genug kontrollieren kann. Aber er hat durch Übung gelernt, stets die eine Variable so zu wählen, dass er im Endeffekt nahe am oder genau im Ziel liegt – selbst wenn ihm bei der anderen Variablen Ausrutscher passieren. Dies ist die dritte Komponente, die wiederholte Präzisionswürfe ermöglicht: „ Kovariation”.
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Was ist dran an der Hypothese des US-Neurologen William H. Calvin, wonach in der menschlichen Evolution die Fähigkeit zu präzisem Werfen sogar die Entwicklung des Sprechens begünstigt hat? bild der wissenschaft fragte Yves von Cramon. Der Professor für Neurologie ist Direktor am Leipziger Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften und leitet außerdem die dortige Tagesklinik für kognitive Neurologie.
bdw: Herr Professor von Cramon, werden Werfen und Sprechen von derselben Region im Gehirn gesteuert, wie William H. Calvin vermutet?
von Cramon: Das erscheint mir wenig plausibel. An Wurfbewegungen sind Arm und Schulter beteiligt, und die werden vom dorsalen Prämotorischen Kortex „gesteuert” – einer Region der Großhirnrinde, die vom Broca-Areal, dem Sprachzentrum im Stirnlappen, deutlich getrennt ist.
bdw: Calvin hat aber 1983 behauptet, bei Menschen mit Schäden im linken Stirnlappen seien gleichzeitig die Sprachfähigkeit und die Hand-Arm-Motorik gestört.
von Cramon: Die Schäden, die beispielsweise bei Schlaganfällen oder Hirnblutungen entstehen, sind in der Regel sehr ausgedehnt. Diese Patienten haben oft eine Lähmung einer ganzen Körperseite plus eine Sprachstörung. Wenn ein so großer Bereich der Großhirn-Hemisphäre ausfällt, muss man mit ausgedehnten Beeinträchtigungen rechnen. Das ist keine Bestätigung für Calvin.
bdw: Also ist die „Throwing Hypothesis” falsch?
von Cramon: Zumindest ist sie nicht bewiesen. Einer anderen Hypothese räume ich bessere Chancen ein: Danach könnte sich die Sprachfähigkeit des Menschen aus der Interaktion zwischen Hand und Mund entwickelt haben. In der Rinde des Stirnlappens überlagern sich die Regionen für Hand- und Mund-Motorik zu einem guten Teil. Die Nachbarschaft dieser beiden Bereiche ist vielleicht kein Zufall. Die Frage ist derzeit noch offen.
bdw: Wie ließe sie sich klären?
von Cramon: Eventuell durch In-vivo-Studien im Verlauf von Gehirnoperationen oder durch funktionelle Magnetresonanz-Tomographie. Mit Letzterer kann dem Prämotorischen Kortex beim Sprechen und bei Hand-Arm-Bewegungen „zugesehen” werden – was Antworten auf die Frage liefern würde.
Das Gespräch führte Thorwald Ewe
