Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Hochgeschwindigkeitsneuronen im Hirnstamm gefunden

24.10.2017

Für die Fortbewegung mit hoher Geschwindigkeit ist eine klar abgegrenzte Untergruppe von Neuronen im Hirnstamm zwingend erforderlich. Interessanterweise sind diese Hochgeschwindigkeitsneuronen mit anderen Neuronen vermischt, die ein sofortiges Anhalten beim Laufen hervorrufen können. Wie bestimmte Gruppen von Hirnstammneuronen vollständige motorische Programme regulieren können, zeigt eine Studie in «Nature» von Forschende des Biozentrums der Universität Basel und des Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research (FMI).

Stellen Sie sich vor, dass Sie an einem sonnigen Sonntagnachmittag gemütlich spazieren gehen oder am Montagmorgen mit voller Geschwindigkeit dem Bus zur Arbeit nachrennen. Beide Fortbewegungsarten basieren auf einem perfekten Wechselspiel zwischen Armen und Beinen.


Wenn wir einem Bus nachrennen, müssen Muskeln fehlerfrei zusammenarbeiten, um hohe Geschwindigkeiten zu erreichen. Nun zeigt sich, dass ein bestimmter Nervenzelltyp im Hirnstamm hilft, Hochgeschwindigkeitsbewegungen durchzuführen.

Bild: jukov/istockphoto

Quelle: Uni Basel

Jedoch ist die Geschwindigkeit, mit der dies abläuft, sehr unterschiedlich. Ein Forschungsteam um Silvia Arber, Professorin am Biozentrum der Universität Basel und Gruppenleiterin am FMI, konnte nun zeigen, dass ein bestimmter Nervenzelltyp im Hirnstamm für die schnelle Fortbewegung von wesentlicher Bedeutung ist.

Hirnstamm spielt eine wichtige Rolle in der Bewegungssteuerung

Alle Arten von Bewegung – einschliesslich der Fortbewegung durch Gehen oder Rennen – werden auf verschiedenen Ebenen des Nervensystems gesteuert. Das entscheidende Befehlsnetz für Körperbewegungen befindet sich im Rückenmark.

Dort übertragen Nervenzellen – sogenannte Motoneuronen – ein motorisches Signal an Muskelfasern, damit diese sich zusammenziehen. Allerdings kann das Rückenmark allein keine Bewegung hervorbringen, was man am deutlichsten bei einem Patienten mit einer Rückenmarksverletzung sehen kann. In diesem Fall können unterhalb der Verletzung keine Bewegungen mehr gesteuert werden.

Nervennetzwerke im Rückenmark erhalten vom Gehirn wichtige Anweisungen, wann und wie eine Bewegung auszuführen ist. Neuere Arbeiten zeigen immer deutlicher, welche grundlegenden Funktionen dabei der Hirnstamm übernimmt. Aber warum war es so schwierig, diese Prinzipien aufzudecken?

Es hat sich herausgestellt, dass der Schlüssel zur Identifizierung von Hirnstammneuronen im Hinblick auf ihre jeweilige Funktion in der sehr sorgfältigen Entflechtung der Zelltypen liegt. Auf dieser Grundlage stellen Silvia Arber und ihr Team wichtige neue Erkenntnisse vor, die in «Nature» veröffentlicht wurden.

Auf den Ort und den Neuronentyp kommt es an

Die Autoren wiesen mit neusten Methoden nach, dass der Hirnstamm der Maus in der Tat aus einem Gemisch verschiedener Nervenzellgruppen besteht, die sich klar voneinander unterscheiden lassen. So konnten die verschiedenen Hirnstammneuronen anhand der von ihnen freigesetzten Neurotransmitter unterschieden werden. Zusätzlich war aber auch die Lage im Hirnstamm, die Verbindungen, die sie zu Neuronen im Rückenmark herstellen, sowie der Input, den sie von anderen Hirnregionen erhalten, verschieden.

Am interessantesten ist, dass sich in den untersuchten Hirnstammregionen positiv wirkende, anregende Neuronen, mit negativ wirkenden, hemmenden Neuronen ungeordnet vermischen. Auffallend war, dass ihnen keine klare Funktion zugeordnet werden konnte, wenn alle diese Neuronen ohne sorgfältige Entflechtung zusammen untersucht wurden.

Neuronen für verschiedene Funktionen liegen nebeneinander

Paolo Capelli, Doktorand in Arbers Gruppe und Erstautor der Studie, erinnert sich, dass der aufregendste Durchbruch kam, als er begann, die identifizierten Neuronentypen getrennt voneinander zu untersuchen: «Als wir Neuronen aktivierten, die den anregenden Neurotransmitter Glutamat in einer kleinen Region des Hirnstamms namens Nucleus paragigantocellularis lateralis (LPGi) freisetzen, konnten wir Laufbewegungen auslösen. Dies war nicht der Fall bei Aktivierung von Neuronen in anderen benachbarten Regionen.»

Umgekehrt beobachteten die Neurobiologen eine rasche Verlangsamung der Bewegung, wenn sie die dazwischen eingestreuten hemmenden Neuronen aktivierten. Wie Capelli betont, war es «absolut faszinierend zu sehen, wie die Stimulation von einer Neuronenpopulation im Hirnstamm ein komplettes motorisches Programm hervorrufen kann, das Vorder- und Hinterbeine in einer Weise bewegt, die von der natürlichen Fortbewegung nicht zu unterscheiden ist.»

Weitere Experimente zeigten, dass die identifizierten anregenden Neuronen, deren Stimulation Laufbewegungen hervorruft, auch für die natürliche Fortbewegung bei hohen Geschwindigkeiten erforderlich sind. Hohe Geschwindigkeiten konnten ohne diese Neuronen nicht erzielt werden.

Erkenntnis dank sorgfältiger Identifikation der Neuronentypen

Diese Erkenntnisse bedeuten einen wichtigen Fortschritt für ein besseres Verständnis der neuronalen Vorgänge, die bei der Bewegungskontrolle im Hirnstamm aktiv sind. «Wir wissen jetzt, dass die unterschiedlichen Bewegungsfunktionen im Hirnstamm bis anhin hinter der Vielfalt vermischter neuronaler Subpopulationen verborgen waren. Erst wenn man sie in Subpopulationen aufteilt, kann man ihre Funktion klären», so Silvia Arber.

Langfristig können diese Erkenntnisse auch einen Ansatzpunkt bieten, um bei Krankheiten zu intervenieren, bei welchen die Bewegung aufgrund von Defekten in höheren motorischen Zentren beeinträchtigt ist, wie zum Beispiel bei der Parkinson-Krankheit.

Originalbeitrag

Paolo Capelli, Chiara Pivetta, Maria Soledad Esposito & Silvia Arber
Locomotor speed control circuits in the caudal brainstem
Nature (2017), doi: 10.1038/nature24064

Weitere Auskünfte

Prof. Dr. Silvia Arber, Universität Basel, Biozentrum, Tel. +41 61 207 20 57, E-Mail: silvia.arber@unibas.ch
Dr. Sandra Ziegler Handschin, Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research, Kommunikation, Tel. +41 61 696 15 39, E-Mail: sandra.ziegler@fmi.ch

Weitere Informationen:

https://www.unibas.ch/de/Aktuell/News/Uni-Research/Hochgeschwindigkeitsneuronen-...

Reto Caluori | Universität Basel

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Immunologie - Rachenmandeln als Test-Labor
27.02.2020 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Pestizide erhöhen Risiko für Tropenkrankheit Schistosomiasis / Belastete Gewässer fördern Zwischenwirt des Erregers
27.02.2020 | Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wiegende Halme auf der Handwerksmesse München

Talente-Sonderschau: Architekturstudenten der HTWK Leipzig zeigen filigrane Skulptur aus Strohhalmen – dahinter steckt eine Konstruktionsidee für organisch gekrümmte Fassaden

Swaying Straws (Wiegende Halme) heißt die Skulptur, die die zwei Architekturstudenten Fabian Eidner und Theodor Reinhardt von der Hochschule für Technik,...

Im Focus: Wissenschaftler beleuchten aktuellen Stand der Anwendung des Maschinenlernens bei Forschung an aktiven Materialien

Verfahren des Maschinenlernens haben durch die Verfügbarkeit von enormen Datenmengen in den vergangenen Jahren einen großen Zuwachs an Anwendungen in vielen Gebieten erfahren: vom Klassifizieren von Objekten, über die Analyse von Zeitreihen bis hin zur Kontrolle von Computerspielen und Fahrzeugen. In einem aktuellen Review in der Zeitschrift „Nature Machine Intelligence“ beleuchten Autoren der Universitäten Leipzig und Göteborg den aktuellen Stand der Anwendung und Anwendungsmöglichkeiten des Maschinenlernens im Bereich der Forschung an aktiven Materialien.

Als aktive Materialien bezeichnet man Systeme, die durch die Umwandlung von Energie angetrieben werden. Bestes Beispiel für aktive Materialien sind biologische...

Im Focus: Computersimulationen stellen bildlich dar, wie DNA erkannt wird, um Zellen in Stammzellen umzuwandeln

Forscher des Hubrecht-Instituts (KNAW - Niederlande) und des Max-Planck-Instituts in Münster haben entdeckt, wie ein essentielles Protein bei der Umwandlung von normalen adulten humanen Zellen in Stammzellen zur Aktivierung der genomischen DNA beiträgt. Ihre Ergebnisse werden im „Biophysical Journal“ veröffentlicht.

Die Identität einer Zelle wird dadurch bestimmt, ob die DNA zu einem beliebigen Zeitpunkt „gelesen“ oder „nicht gelesen“ wird. Die Signalisierung in der Zelle,...

Im Focus: Bayreuther Hochdruck-Forscher entdecken vielversprechendes Material für Informationstechnologien

Forscher der Universität Bayreuth haben ein ungewöhnliches Material entdeckt: Bei einer Abkühlung auf zwei Grad Celsius ändern sich seine Kristallstruktur und seine elektronischen Eigenschaften abrupt und signifikant. In diesem neuen Zustand lassen sich die Abstände zwischen Eisenatomen mithilfe von Lichtstrahlen gezielt verändern. Daraus ergeben sich hochinteressante Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Informationstechnologien. In der Zeitschrift „Angewandte Chemie – International Edition“ stellen die Wissenschaftler ihre Entdeckung vor. Die neuen Erkenntnisse sind aus einer engen Zusammenarbeit mit Partnereinrichtungen in Augsburg, Dresden, Hamburg und Moskau hervorgegangen.

Bei dem ungewöhnlichen Material handelt es sich um ein Eisenoxid mit der Zusammensetzung Fe₅O₆. In einem Hochdrucklabor des Bayerischen Geoinstituts (BGI),...

Im Focus: Von China an den Südpol: Mit vereinten Kräften dem Rätsel der Neutrinomassen auf der Spur

Studie von Mainzer Physikern zeigt: Experimente der nächsten Generation versprechen Antworten auf eine der aktuellsten Fragen der Neutrinophysik

Eine der spannendsten Herausforderungen der modernen Physik ist die Ordnung oder Hierarchie der Neutrinomassen. Eine aktuelle Studie, an der Physiker des...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Hate Speech bis KI: Online-Forscher_innen aus aller Welt treffen sich zur General Online Research an der HTW Berlin

28.02.2020 | Veranstaltungen

CLIMATE2020 – Weltweite Online-Klimakonferenz vom 23. bis 30. März 2020

26.02.2020 | Veranstaltungen

Automatisierung im Dienst des Menschen

25.02.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Asteroid in eiserner Rüstung

28.02.2020 | Geowissenschaften

Hate Speech bis KI: Online-Forscher_innen aus aller Welt treffen sich zur General Online Research an der HTW Berlin

28.02.2020 | Veranstaltungsnachrichten

UV-Licht gegen störenden Unterwasserbewuchs – Innovatives Antifouling-System des IOW jetzt reif für Serienproduktion

28.02.2020 | Energie und Elektrotechnik

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics