Salk-Wissenschaftler kartieren das Aktionszentrum des Gehirns

Salk-Wissenschaftler kartieren das Aktionszentrum des Gehirns

Neue Arbeit räumt mit lang gehegten Vorstellungen über den Zusammenhang zwischen Parkinson und Sucht auf

LA JOLLA – Wenn Sie nach der Pfanne mit Brownies greifen, ist eine kugelförmige Gehirnstruktur namens Striatum entscheidend für die Steuerung Ihrer Bewegung in Richtung der Belohnung. Ein gesundes Striatum hilft Ihnen auch, sich zu stoppen, wenn Sie genug haben.

Wenn das Striatum jedoch nicht richtig funktioniert, kann es zu Störungen wie z Parkinson-Krankheit, Zwangsstörung oder Sucht.

Tatsächlich sind die genauen Funktionen des Striatums keineswegs geklärt, und es ist auch ein Rätsel, wie die Struktur viele verschiedene Funktionen koordinieren kann. Jetzt wurde am 25. August 2016 eine neue Studie von Forschern des Salk Institute und ihren Kollegen in der Zeitschrift veröffentlicht Neuronbefasst sich mit der Anatomie und Funktion des Striatums, indem es modernste Strategien einsetzt, um eine der weniger bekannten Organisationsformen des Gehirns umfassend abzubilden.

„Das aufregendste Ergebnis dieser Forschung ist, dass wir nun eine neue Möglichkeit haben, seit langem bestehende Fragen darüber zu untersuchen, wie das Striatum die Bewegung sowohl in gesunden als auch in kranken Gehirnen steuert“, sagt der leitende Forscher der Studie Xin Jin, Assistenzprofessor am Labor für Molekulare Neurobiologie in Salk.

Vor vierzig Jahren entdeckten Forscher eine einzigartige Art und Weise, wie das Striatum organisiert ist. Es ist mit Patch-Neuronen übersät, die unter dem Mikroskop wie winzige Zellinseln aussehen. Der sie umgebende Ozean besteht aus Neuronen, die Wissenschaftler zusammenfassend als „Matrixzellen“ bezeichnen.

Im Laufe von vier Jahrzehnten stellten Wissenschaftler Hypothesen über die Rolle von Patch- und Matrixneuronen bei neurodegenerativen Erkrankungen auf. Eine Idee war, dass Patch-Zellen von den höheren Denkzentren des Gehirns gespeist werden, was darauf hindeutet, dass sie eine Rolle bei der Wahrnehmung spielen könnten, während die Matrixzellen offenbar eine Rolle bei der Wahrnehmung und Bewegung spielen.

Im Gegensatz dazu widerlegt die neue Studie diese Idee und zeigt, dass beide Arten von Informationen an die Patch- und Matrix-Neuronen gesendet werden, obwohl Patch-Zellen tendenziell etwas mehr Informationen von den Emotionszentren des Gehirns empfangen (diese gehören zu den höheren Gedankenzentren). Aber diese Ergebnisse könnten erklären, warum im Gehirn von Patienten mit neurologischen Erkrankungen wie der Huntington-Krankheit (einer fortschreitenden neurodegenerativen Erkrankung, die Bewegung und andere Funktionen beeinträchtigt) sowohl Patch-Zellen als auch Matrixzellen betroffen sind, sagt Jin.

„Dies ist ein elegantes Beispiel, das zeigt, dass wir uns in einer neuen Ära befinden, in der Gehirnschaltkreise immer detaillierter untersucht werden“, sagte er Daofen Chen, Ph.D., Programmdirektor am Nationales Institut für neurologische Störungen und Schlaganfall des NIH. „Dank neuer Technologien und neuartiger Werkzeuge gewinnen wir neue Erkenntnisse über die Mechanismen von Hirnstörungen.“

Jin nutzte zusammen mit den Erstautoren des Papiers, Jared Smith, Jason Klug und Danica Ross, mehrere Technologien, um diese neuen Erkenntnisse aufzudecken. Die erste war die Gentechnik, um selektiv und präzise auf die Patch-Neuronen im Vergleich zu den Matrix-Neuronen zu zielen; Traditionell verwendeten Forscher Färbemethoden, die nicht so genau waren. Zweitens ermöglichten neue neuronale Verfolgungsmethoden, darunter eine von Edward Callaway und seiner Gruppe bei Salk entwickelte, Jins Team, den Input des gesamten Gehirns in die Patch- und Matrixzellen sowie den Output jedes einzelnen Zelltyps aufzuzeichnen. Ein dritter großer Ansatz aus dem Bereich der Elektrophysiologie ermöglichte es den Wissenschaftlern, die kartierten Zusammenhänge zu bestätigen und ihre Stärke zu verstehen.

„Ein Großteil der früheren Arbeiten zu Patch- und Matrixzellen leitete ihre Funktionen auf der Grundlage der Konnektivität mit dem Rest des Gehirns ab, aber die meisten dieser Hypothesen waren falsch“, sagt Smith. „Mit einer genaueren Karte der Eingabe und Ausgabe von Patch- und Matrixzellen können wir jetzt fundiertere Hypothesen aufstellen.“

Patch- und Matrixneuronen sind nicht die einzige Möglichkeit, wie Neurowissenschaftler das Striatum verstehen. Das Striatum enthält auch Zellen, die zwei entgegengesetzte Wege nehmen – den direkten und den indirekten Weg –, von denen man annimmt, dass sie sozusagen für den Antrieb und die Bremse der Bewegung sorgen. Diese indirekten und direkten Wege sind auch für bestimmte Verhaltensweisen von entscheidender Bedeutung, beispielsweise für die Bildung neuer Gewohnheiten.

Interessanterweise enthalten sowohl Patch- als auch Matrixgruppen sowohl indirekte als auch direkte Pathway-Zellen. Das macht die Geschichte des Striatums komplizierter, sagt Jin, aber in zukünftigen Studien kann sein Team die Schnittstelle dieser beiden Organisationstypen im Kontext der Art und Weise untersuchen, wie das Striatum Vorgänge bei Gesundheit und Krankheit steuert.

Weitere Autoren der Studie sind Jason Klug, Danica Ross, Christopher Howard, Nick Hollon, Vivian Ko, Hilary Hoffman und Edward Callaway vom Salk Institute; und Charles Gerfen von der National Institute of Mental Health in Bethesda, Maryland.

Die Forschung wurde durch Zuschüsse des gefördert National Institutes of Health, hat das Dana-Stiftung, hat das Ellison Medical Foundationund die Whitehall-Stiftung.