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Motorneuronen und Lokomotion: Noch komplexer als wir dachten

Bahnbrechende Forschung veröffentlicht in Natur Diese Woche zeigt, dass die Rolle von motorischen Neuronen bei der Fortbewegung viel komplizierter ist, als Neurowissenschaftler bisher glaubten. Klassisch als wenig mehr als Boten betrachtet, scheinen motorische Neuronen eine Beförderung zu erhalten.
Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass Motorneuronen bei der Kontrolle der Fortbewegung viel wichtiger sind als bisher angenommen.

Die natürliche Komplexität des Nervensystems ist sowohl beeindruckend als auch verwirrend.

Die Wissenschaft zerbricht langsam die Geheimnisse der komplexen Wechselwirkungen zwischen Gehirn, Nerven, Muskeln und der Welt, in der sie leben. Der Fortschritt ist Schritt für Schritt, Zoll für Zoll, aber von Zeit zu Zeit wird ein überraschender Sprung gemacht.

Die vorliegende Studie, die von Prof. El Manira und seinem Team am Karolinska Institut in Schweden durchgeführt wurde, beschäftigt sich mit der Rolle von Motoneuronen.

Fortbewegung ist ein wesentlicher Bestandteil des Verhaltensrepertoires eines Tieres; ohne sie könnte ein Tier buchstäblich eine sitzende Ente sein.

Die meisten Menschen halten die Fortbewegung für selbstverständlich. Da Laufen, Hüpfen und Laufen mit einer bemerkenswerten natürlichen Flüssigkeit einhergehen, ist es keine Überraschung, dass wir ihnen täglich wenig Beachtung schenken.

Unsere Leichtigkeit der Fortbewegung täuscht über ihre tiefe und undurchdringliche Komplexität hinweg. Aber man muss nur auf den Kampf schauen, dem ein Roboter begegnet, wenn er mit einer Treppe konfrontiert wird, um uns daran zu erinnern, wie schwierig geplante Bewegungen sein können.

Die traditionelle Rolle des Motoneurons

Trotz der Komplexität der Fortbewegung sind die meisten notwendigen Muster und Rhythmen in Wirbelsäulenkreisen gespeichert. Das höhere Gehirn muss nur involviert werden, um die Bewegung zu starten oder zu stoppen, oder zwickt, wenn zum Beispiel ein Hindernis auf dem Weg erscheint.

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

Die Bewegungen werden zurück zum Rückenmark geleitet und das höhere Gehirn und Anpassungen werden nach Bedarf vorgenommen. In diesem Szenario wurde das Motoneuron historisch als ein niedriger Bote betrachtet. Es verschiebt die Informationen, ändert aber den Text auf dem Weg nicht. Dieser Grundgedanke des Motorneurons scheint sich zu ändern.

Zebrafischforschung und Gap Junctions

Prof. El Maniras Studie untersuchte Motoneuronen im Zebrafisch. Diese tropischen Süßwasserfische werden oft als Labortiere verwendet; Tatsächlich waren sie das erste Tier, das geklont wurde.

Zebrafische sind für die Wissenschaft aus einer Reihe von Gründen nützlich: Sie sind billig und leicht zu pflegen, ihr Genom ist vollständig kartiert und ihr Verhalten ist gut bekannt und verstanden; Zebrafisch-Embryonen sind auch relativ groß und transparent, und sie sind leicht genetisch zu modifizieren.

Mit einer Vielzahl von Techniken und Optogenetik (eine Methode, mit der genetisch veränderte Zellen durch Licht gesteuert werden können), haben die Forscher selektiv die Aktivität von Motoneuronen im Zebrafisch zum Schweigen gebracht. Dies ermöglichte es dem Team, die Funktion des Motoneurons während der Fortbewegung im Detail zu beobachten.

Eine neue Rolle für Motoneuronen

Diese Arbeit an dem modifizierten Zebrafisch zeigte, dass die motorischen Nervenzellen, anstatt eine wahrheitsgetreue Nachricht vom Rückenmark zum Muskel abzugeben, eine detailliertere Rolle spielen. Das Team fand zu ihrer Überraschung heraus, dass Motoneurone über Gap Junctions einen signifikanten Einfluss auf die lokomotorische Aktivität ausüben.

Gap Junctions sind eine separate Institution zu der bekannteren Synapse, aber wie Synapsen erleichtern sie die Kommunikation zwischen Zellen; Wenn sie in Nerven gefunden werden, werden sie auch als elektrische Synapsen bezeichnet. Eine Gap-Junction verbindet direkt das Zytoplasma zweier Zellen, so dass Ionen, Moleküle oder elektrische Impulse zwischen ihnen wandern können.

Prof. El Manira erläutert die Ergebnisse:

"Wir haben jetzt eine unvorhergesehene Rolle von Motoneuronen bei der Ausarbeitung des endgültigen Programms für motorisches Verhalten aufgedeckt.

Unsere unerwarteten Ergebnisse zeigen, dass Motoneurone die Funktion des Bewegungsapparates retrograd über Gap Junctions steuern, so dass Motoneurone die Transmitterfreisetzung und die Rekrutierung von vorgelagerten exzitatorischen Interneuronen direkt beeinflussen. "

Anstatt Informationen blind von der Wirbelsäulenschaltung zu den Muskeln zu übertragen, fügten die Motoneurone dem Verfahren ihre eigene Farbe hinzu. Das Team fand heraus, dass die Gap Junctions von Motoneuronen V2a-Interneuronen aktivieren und rekrutieren, die für die Definition des Bewegungsrhythmus und des Links-Rechts-Schwungs entscheidend sind.

Es scheint ein wenig trivial zu sein zu erklären, dass Lehrbücher neu geschrieben werden müssen, aber diese Entdeckung ist sicherlich ein wichtiger Schritt in unserem Verständnis der Rolle von Motoneuronen. Wie Prof. El Manira sagt:

"Diese Studie stellt einen Paradigmenwechsel dar, der zu einer grundlegenden Revision der Langzeitansicht der Rolle von Motoneuronen führen wird. Motorneurone können nicht mehr nur als passive Empfänger von motorischen Befehlen betrachtet werden - sie sind ein integraler Bestandteil der Schaltkreise motorisches Verhalten erzeugen. "

Obwohl bekannt ist, dass Zebrafische zuverlässige Modelle sind, müssen weitere Forschungen an höheren Tieren durchgeführt werden, bevor die genauen Funktionen dieser neuralen Rückkopplung und Integration vollständig aufgedeckt werden.

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