Grundlagen der Bildung des motorischen Gedächtnisses aufgedeckt

Forscherteam bietet neue und wertvolle Einblicke in ein ewiges Geheimnis der Neurowissenschaften

16.09.2022 - Kanada

Wenn Sie zum ersten Mal lernen, Fahrrad zu fahren oder ein Musikinstrument zu spielen, sind Ihre körperlichen Bewegungen bestenfalls unkoordiniert. Aber mit der Zeit und vielen Wiederholungen schaffen die motorischen Neuronen Ihres Gehirns eine Art Kurzschrift zwischen Geist und Muskel. Die damit verbundenen Bewegungen werden schließlich so tief verwurzelt, dass sich das Springen auf ein Fahrrad oder das Spielen einer Tonleiter fast automatisch anfühlt.

Was sind die zellulären Grundlagen für diesen motorischen Lernprozess? In einer Studie, die diese Woche in der Zeitschrift Neuron veröffentlicht wurde, bietet ein Forscherteam unter der Leitung von Dr. Simon Chen von der uOttawa Faculty of Medicine neue und wertvolle Einblicke in dieses ewige Geheimnis der Neurowissenschaften.

Sein Labor konzentriert sich darauf, zu enträtseln, wie Erinnerungen im Gehirn kodiert und gespeichert werden, insbesondere beim motorischen Lernen, dem komplexen Prozess, wie wir die Muskeln unseres Körpers bewegen und koordinieren. In dieser jüngsten Studie untersuchte das Forschungsteam von Dr. Chen die Mechanismen, die den Prozess des Erwerbs und der Konsolidierung des motorischen Gedächtnisses bei wiederholtem Üben steuern.

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Dr. Chen, Canada Research Chair in Neural Circuits and Behaviour, sagt, die Ergebnisse der Studie könnten sich als nützlich erweisen, um therapeutische Ziele zu entwickeln, die zur Wiederherstellung der motorischen Funktionen bei Patienten mit Parkinson-Krankheit, Schlaganfall oder Hirnverletzung beitragen können. Dies ist insofern von Bedeutung, als die Wiederherstellung der grobmotorischen Koordination und die Wiedererlangung verlorener Bewegungen für diese Menschen ein sehr schwieriger Kampf ist.

"Wenn wir verstehen, wie der Erwerb motorischer Fähigkeiten im Gehirn reguliert wird, können wir vielleicht eines Tages Patienten mit Schlaganfall oder Parkinson-Krankheit helfen, diese Fähigkeiten während des Rehabilitationsprozesses wiederzuerlangen", sagt er.

Die Studie konzentrierte sich auf Mäuse, nicht auf Menschen. Da die Wissenschaftler jedoch davon ausgehen, dass die Mechanismen der Gedächtnisbildung bei Mäusen und Menschen sehr ähnlich sind, dürften die Ergebnisse auch für Menschen von großer Bedeutung sein.

Wie haben die Experimente also funktioniert?

Indem das Team die Kopfbewegungen der Mäuse auf der Bildgebungsbühne einschränkte, die es den Wissenschaftlern ermöglicht, das Gehirn in Einzelzellauflösung zu untersuchen, trainierte es die Tiere, eine bestimmte motorische Aufgabe auszuführen: Erreichen und Ergreifen eines Futterpellets aus einer motorisierten Halterung.

Anfangs waren die Mäuse mit gefesseltem Kopf zögerlich und unbeholfen, wenn sie nach dem Pellet griffen. Die Forscher analysierten die Bewegungen der Tiere detailliert mit DeepLabCut, einer Deep-Learning-Software, die Motion-Capture-Videos mit künstlicher Intelligenz kombiniert. Sie stellten fest, dass die Mäuse mit der Zeit und durch Wiederholung stereotype Greifbewegungen ausbildeten, die es ihnen schließlich ermöglichten, sich das Futter leicht zu sichern.

Das Team wollte die Aktivierung von Neuronen sehen, die für diese Greifbewegungen spezifisch sind, und die Bildung synaptischer Bahnen im Gehirn beobachten, während diese stattfinden.

"Wir konnten die Veränderungen im Gehirn beobachten, während die Mäuse diese Aufgabe lernten", sagt Dr. Chen, außerordentlicher Professor an der Fakultät für Medizin, Abteilung Zelluläre und Molekulare Medizin.

Mit Hilfe der Zwei-Photonen-Bildgebung, einer Art Mikroskopie, die es ermöglicht, lebendes Gewebe im Mikrometermaßstab zu visualisieren, konnte sein Team die Reorganisation der dendritischen Stacheln unter den erregenden Neuronen in der primären motorischen Hirnrinde beobachten, während die am Kopf fixierten Mäuse im Laufe der Zeit diese Handlungen zum Greifen von Pellets durchführten. Dendritische Stacheln - Nervenstrukturen an Synapsen, die an Lutscher mit dünnen Stielen und blasenartigen Spitzen erinnern - sind der Schlüssel zur Gedächtnisbildung und -speicherung.

Beim Heranzoomen auf die zelluläre Ebene entdeckten die Forscher, dass motorisches Lernen selektiv die Expression eines aktivitätsabhängigen "Transkriptionsfaktors" namens NPAS4 im primären motorischen Kortex induziert.

Diese neuen Erkenntnisse enthüllen, so Dr. Chen, dass die Expression dieses Transkriptionsfaktors die Entstehung eines lernassoziierten hemmenden Neuronenensembles auslöst, das die Hemmung im primären motorischen Kortex moduliert. Dies reguliert den Prozess der Reorganisation der dendritischen Stacheln unter den erregenden Neuronen während des Lernens.

Im Wesentlichen reguliert NPAS4 die Genveränderungen in den hemmenden Neuronen, die die Aktivität dieser Neuronen steuern, ähnlich wie ein Lautstärkeregler die Lautsprecher eines Laptops steuert. Dr. Chen sagt, dass diese Ergebnisse "auch zeigen, dass die hemmende neuronenspezifische Induktion eines Transkriptionsfaktors ein bestimmendes Merkmal ist, das der Bildung von neuronalen Ensembles zugrunde liegt, die durch einen Lernakt aktiviert werden."

Mit anderen Worten: Die Wiederholung der Bewegungen im Laufe der Zeit veränderte das Innenleben des primären motorischen Kortex der Tiere - der Teil des Gehirns, den nur Säugetiere besitzen und der komplexe Bewegungen steuert.

Das Team fand heraus, dass die Expression des NPAS4-Transkriptionsfaktors in inhibitorischen Neuronen der Schlüssel dazu ist, wie das Gehirn die Optionen auswählt, um die stärksten motorischen Erinnerungen für bestimmte Bewegungen zu bilden - und er muss immer wieder neu exprimiert werden, damit diese Erinnerungen bei wiederholten Übungen im Gehirn verankert und verfeinert werden können.