Motorneuronen und fortbewegung: noch komplexer als wir dachten


Motorneuronen und fortbewegung: noch komplexer als wir dachten

Bahnbrechende Forschung veröffentlicht in Natur Diese Woche zeigt, dass die Rolle der motorischen Neuronen in der Fortbewegung viel komplizierter ist als die zuvor geglaubten Neurowissenschaftler. Klassisch als wenig mehr als Boten, Motor Neuronen scheinen gesetzt, um eine Förderung zu erhalten.

Neue Forschung sorgt dafür, dass Motorneuronen bei der Kontrolle der Fortbewegung viel wichtiger sind als bisher angenommen.

Die natürliche Komplexität des Nervensystems ist ebenso beeindruckend und verwirrend.

Die Wissenschaft zerbricht langsam die Geheimnisse der komplexen Wechselwirkungen zwischen Gehirn, Nerven, Muskeln und der Welt, die sie bewohnen. Fortschritt ist Schritt für Schritt, Zoll um Zoll, aber jeder so oft wird ein überraschender Sprung gemacht.

Die vorliegende Studie, die von Prof. El Manira und seinem Team am Karolinska Institutet in Schweden durchgeführt wird, nimmt einen Blick auf die Rolle der motorischen Neuronen.

Fortbewegung ist ein wesentlicher Bestandteil des Verhaltensrepertoires eines Tieres; Ohne ein Tier könnte, ganz wörtlich, eine sitzende Ente sein.

Die meisten Menschen nehmen Fortbewegung für selbstverständlich Weil das Gehen, das Überspringen und das Laufen alle mit einem bemerkenswerten Grad der natürlichen Fließfähigkeit kommen, ist es keine Überraschung, dass wir ihnen wenig Rücksicht auf einer täglichen Basis geben.

Unsere Leichtigkeit der Fortbewegung belastet ihre tiefe und undurchdringliche Komplexität. Aber man muss nur den Kampf betrachten, den ein Roboter begegnet, wenn er mit einer Treppe konfrontiert wird, um uns zu erinnern, wie schwierige geplante Bewegungen sein können.

Die traditionelle Rolle des motorischen Neurons

Trotz der Komplexität der Fortbewegung sind die meisten notwendigen Muster und Rhythmen in den Wirbelsäulenschaltungen gespeichert. Das höhere Gehirn muss sich nur beteiligen, um die Bewegung zu beginnen oder zu stoppen, oder um Tweaks zu machen, wenn zum Beispiel ein Hindernis auf dem Weg erscheint.

Ein zentraler Mustergenerator innerhalb der Wirbelsäule sammelt Signale aus mehreren Quellen (sensorische und höhere Gehirnzentren) und leitet dann Befehle über Motorneuronen an die Muskeln weiter.

Die Bewegungen werden dem Rückenmark zurückgeführt, und das höhere Gehirn und die Anpassungen werden nach Bedarf gemacht. In diesem Szenario wurde das motorische Neuron historisch als ein kleiner Bote angesehen. Es fährt die Informationen, aber macht keine Änderungen an dem Text auf dem Weg. Dieser Grundgedanke des motorischen Neurons scheint sich zu ändern.

Zebrafische Forschungs- und Lückenübergänge

Prof. El Manira untersuchte die motorischen Neuronen in Zebrafisch. Diese Süßwasser-Tropenfische werden oft als Labortiere verwendet; In der Tat waren sie das erste Tier, das geklont werden sollte.

Zebrafisch sind der Wissenschaft aus einer Reihe von Gründen nützlich: Sie sind billig und leicht zu pflegen, ihr Genom ist vollständig abgebildet und ihre Verhaltensweisen sind bekannt und verstanden; Auch sind Zebrafisch-Embryos relativ groß und transparent, und sie sind leicht zu genetisch zu modifizieren.

Mit einer Vielzahl von Techniken und Optogenetik (eine Methode, die genetisch modifizierte Zellen durch Licht kontrollieren lässt), schwebten die Forscher selektiv motorische Neuronenaktivität in Zebrafisch. Dies ermöglichte es dem Team, die Funktion des motorischen Neurons während der Fortbewegung im Detail zu beobachten.

Eine neue Rolle für Motorneuronen

Diese Arbeit an dem modifizierten Zebrafisch zeigte, dass, anstatt motorische Neuronen, die eine ungebildete Botschaft vom Rückenmark zum Muskel liefern, eine ausführlichere Rolle spielen. Das Team fand zu ihrer Überraschung, dass motorische Neuronen einen signifikanten Einfluss auf die Bewegungsaktivität über Lückenübergänge ausübten.

Gap-Übergänge sind eine eigenständige Institution für die vertrautere Synapse, aber wie Synapsen erleichtern sie die Kommunikation zwischen den Zellen; Wenn sie in Nerven gefunden werden, werden sie auch als elektrische Synapsen bezeichnet. Ein Spaltübergang verbindet das Zytoplasma zweier Zellen, so dass Ionen, Moleküle oder elektrische Impulse zwischen ihnen reisen können.

Prof. El Manira erklärt die Ergebnisse:

Wir haben jetzt eine unvorhergesehene Rolle der motorischen Neuronen bei der Ausarbeitung des endgültigen Programms für motorisches Verhalten aufgedeckt.

Unsere unerwarteten Erkenntnisse zeigen, dass die Motorneuronen die Bewegungsapparatur direkt über die Spaltübergänge steuern, so dass die Motorneuronen die Senderfreisetzung und die Rekrutierung von vorgelagerten, exzitatorischen Interneuronen direkt beeinflussen."

Anstatt Informationen, die blind von der Wirbelsäule zu den Muskeln übertragen wurden, addierten die Motorneuronen ihre eigene Farbe dem Verfahren. Das Team stellte fest, dass die Lückenübergänge der motorischen Neuronen aktiviert und rekrutierten V2a-Interneuronen, die für die Definition des Rhythmus der Fortbewegung und ihrer Links-Rechts-Schwung lebenswichtig sind.

Es scheint ein wenig zu erklären, dass Lehrbücher neu geschrieben werden müssen, aber diese Entdeckung ist sicherlich ein wichtiger Schalter in unserem Verständnis der Rolle der motorischen Neuronen. Wie Prof. El Manira sagt:

Diese Studie stellt einen Paradigmenwechsel dar, der zu einer großen Revision der langjährigen Sicht auf die Rolle der motorischen Neuronen führen wird. Motorneuronen können nicht mehr als nur passive Empfänger von motorischen Befehlen betrachtet werden - sie sind ein integraler Bestandteil der Schaltkreise, die motorisches Verhalten erzeugen."

Obwohl Zebrafisch als zuverlässige Modelle bekannt ist, müssen weitere Untersuchungen an höheren Tieren durchgeführt werden, bevor die genauen Funktionen dieses neuronalen Feedbacks und der Integration vollständig aufgedeckt werden.

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