AutoGaitA ermöglicht artenübergreifende Bewegungsanalyse
Eine Fruchtfliege läuft auf sechs Beinen, eine Maus auf vier, der Mensch auf zwei. Körpergröße, Anatomie und Bewegungsabläufe unterscheiden sich stark. Wie lassen sich ihre Bewegungen trotzdem systematisch miteinander vergleichen?
Dafür hat ein Forschungsteam um die Jülicher:innen Mahan Hosseini, Silvia Daun und Graziana Gatto von der Universität zu Köln AutoGaitA entwickelt. Die Open-Source-Software macht es möglich, Bewegungsdaten verschiedener Arten bei verschiedenen Versuchsbedingungen zu vergleichen.
Dazu verarbeitet sie die zeitliche Abfolge zuvor erfasster Körperpunkte und berechnet daraus beispielsweise Schrittlängen, Gelenkwinkel, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen. Unterschiedlich lange Bewegungszyklen werden vereinheitlicht. So lassen sich Bewegungsmuster verschiedener Arten direkt und systematisch miteinander vergleichen.
Fliege, Maus und Mensch zeigen gemeinsames Bewegungsmuster
Die Analyse zeigt beim Gehen zunächst deutliche Unterschiede zwischen den Arten. Fruchtfliegen koordinieren ihre Beingelenke anders als Mäuse. Menschen wiederum nutzen für die Bewegung unter anderem den Abstoß über das Sprunggelenk. Darin spiegeln sich die unterschiedliche Anatomie und Fortbewegung der drei Arten wider.
Dennoch gibt es ein gemeinsames Muster: Die weiter außen liegenden Bereiche der Gliedmaßen bewegen sich schneller als körpernahe Bereiche. Fuß, Pfote beziehungsweise das äußere Beinglied der Fliege erreichen somit höhere Bewegungsgeschwindigkeiten als körpernähere Gelenke.
Der Geschwindigkeitsgradient von körpernah zu körperfern könnte auf ein gemeinsames Prinzip der motorischen Steuerung bei evolutionär weit voneinander entfernten Tierarten hinweisen.
AutoGaitA zeigt Veränderungen der Bewegung im Alter
Mit AutoGaitA lassen sich auch altersbedingte Veränderungen der Bewegung untersuchen. Fruchtfliegen, Mäuse und Menschen haben offenbar gemeinsam, dass mit zunehmendem Alter die Fähigkeit abnimmt, die für die Vorwärtsbewegung nötige Antriebskraft zu erzeugen.
Die Bewegungsmuster dahinter unterscheiden sich jedoch. Bei älteren Menschen ist der Abstoß über das Sprunggelenk verringert. Bei Mäusen waren vor allem Bewegungen von Knie und Sprunggelenk betroffen, bei Fruchtfliegen die koordinierte Beugung mehrerer Beingelenke.
Die tatsächlich wirkenden Kräfte hat die Studie nicht direkt gemessen. Die Aussagen zum Vortrieb wurden aus den beobachteten Bewegungsabläufen abgeleitet – Fachleute sprechen von Kinematik. Messungen beispielsweise von Muskelaktivität und Bodenreaktionskräften sollen diese Schlussfolgerungen künftig überprüfen.
Mäuse passen ihren Gang an schmale Wege an
AutoGaitA wurde zudem eingesetzt, um bei Mäusen zu untersuchen, wie flexibel Bewegungsprogramme sind. Die Tiere liefen dazu über Stege mit einer Breite von 25, 12 oder nur fünf Millimetern. Je schmaler der Steg war, desto stärker passten die Mäuse ihre Bewegung an: Sie verkürzten ihre Schritte und veränderten die Beinhaltung, um Gleichgewicht zu halten.
Auch ältere Mäuse passten ihren Gang an. 24 Monate alte Tiere rutschten allerdings häufiger mit den Pfoten ab. Auf dem schmalsten Steg nahmen sie außerdem eine stärker geduckte Haltung ein. Die Forscher:innen vermuten, dass diese Haltung den Körperschwerpunkt senkt und dadurch die Stabilität verbessert.
Bewegungsanalyse kann Tiermodelle und Humanforschung verbinden
Die Ergebnisse tragen zunächst zur Grundlagenforschung bei. Mit AutoGaitA können Forscher:innen genauer unterscheiden, welche Bewegungsmuster artspezifisch sind und welche möglicherweise auf allgemeineren Prinzipien der Bewegungssteuerung beruhen.
Das ist auch für die medizinische Forschung relevant. Tiermodelle spielen eine wichtige Rolle bei der Erforschung neurologischer Erkrankungen. Bewegungsstörungen bei Tieren lassen sich jedoch nicht ohne Weiteres auf Menschen übertragen. Ein standardisiertes Analyseverfahren kann helfen, vergleichbare Veränderungen bei Tier und Mensch genauer zu identifizieren.
AutoGaitA ist dabei nicht auf das Gehen beschränkt. Das Verfahren eignet sich grundsätzlich für verschiedene rhythmische Bewegungen mit klar erkennbaren, wiederkehrenden Bewegungszyklen wie Laufen, wiederholtes Springen, Greif- und Ziehbewegungen sowie Putzen und Kratzen.
Weitere mögliche Anwendungen sind Rehabilitation und Sportwissenschaft. AutoGaitA schafft eine methodische Grundlage, um Bewegungen über Arten, Altersgruppen und Versuchsbedingungen hinweg nach denselben Kriterien zu untersuchen. Langfristig könnte dies helfen, Veränderungen der Motorik bei Erkrankungen genauer einzuordnen und Ergebnisse aus Tiermodellen besser mit Beobachtungen am Menschen zu vergleichen.
Forschungszentrum Jülich
Originalpublikation:
Hosseini, M. et al. (2026): Cross-species identification of conserved and divergent locomotor kinematic strategies using AutoGaitA. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), Vol. 123, No. 35, e2534093123. DOI: 10.1073/pnas.2534093123
