Um auf dem Eis zu laufen, braucht es mehr als nur Verstand

Um auf dem Eis zu laufen, braucht es mehr als nur Verstand

Salk-Wissenschaftler entdecken, wie ein „Mini-Gehirn“ im Rückenmark das Gleichgewicht unterstützt

LA JOLLA – Im Winter über einen vereisten Parkplatz zu gehen und dabei aufrecht zu bleiben, erfordert höchste Konzentration. Eine neue Entdeckung legt jedoch nahe, dass ein Großteil des Balanceakts, den unser Körper bei einer solchen Aufgabe durchführt, unbewusst geschieht, dank einer Ansammlung von Neuronen in unserem Rückenmark, die als „Mini-Gehirn“ fungieren, um sensorische Informationen zu integrieren und das zu erzeugen notwendige Anpassungen unserer Muskeln, damit wir nicht ausrutschen und fallen.

In einem Artikel, der am 29. Januar 2015 in der Zeitschrift veröffentlicht wurde ZelleWissenschaftler des Salk Institute kartieren die neuronalen Schaltkreise des Rückenmarks, die den Sinn leichter Berührungen verarbeiten. Dieser Schaltkreis ermöglicht es dem Körper, über leichte Berührungssensoren in den Füßen reflexartig kleine Anpassungen der Fußposition und des Gleichgewichts vorzunehmen. Die an Mäusen durchgeführte Studie liefert den ersten detaillierten Bauplan für einen Wirbelsäulenkreislauf, der als Kontrollzentrum für die Integration motorischer Befehle des Gehirns mit sensorischen Informationen der Gliedmaßen dient. Ein besseres Verständnis dieser Schaltkreise sollte letztendlich dazu beitragen, Therapien für Rückenmarksverletzungen und Krankheiten zu entwickeln, die die motorischen Fähigkeiten und das Gleichgewicht beeinträchtigen, sowie Mittel zur Sturzprävention bei älteren Menschen.

Forscher des Salk Institute haben neuronale Schaltkreise im Rückenmark kartiert, die leichte Berührungssignale von den Füßen verarbeiten, eine entscheidende Funktion für feinmotorische Aufgaben, wie zum Beispiel das Gehen auf Eis. Dieses Bild zeigt diese neuronalen Schaltkreise im Rückenmark einer Maus. Die roten Blutkörperchen sind RORα-Neuronen, die Signale von Nervenfasern aus dem Gehirn und den Gliedmaßen (beide blau gefärbt) zusammenführen.

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Bild: Mit freundlicher Genehmigung von Steeve Bourane/Salk Institute for Biological Studies

„Wenn wir stehen und gehen, erfassen Berührungssensoren an unseren Fußsohlen subtile Druck- und Bewegungsänderungen. Diese Sensoren senden Signale an unser Rückenmark und dann an das Gehirn“, sagt er Martin Goulding, ein Salk-Professor und leitender Autor des Artikels. „Unsere Studie eröffnet im Wesentlichen eine Black Box, da wir bisher nicht wussten, wie diese Signale im Rückenmark kodiert oder verarbeitet werden. Darüber hinaus war unklar, wie diese Berührungsinformationen mit anderen sensorischen Informationen zusammengeführt werden, um Bewegung und Körperhaltung zu steuern.“

Während die Rolle des Gehirns bei geistigen Leistungen wie Philosophie, Mathematik und Kunst oft im Mittelpunkt steht, besteht ein Großteil der Aufgaben des Nervensystems darin, Informationen aus unserer Umgebung zu nutzen, um unsere Bewegungen zu steuern. Wenn wir beispielsweise über den vereisten Parkplatz gehen, werden viele unserer Sinne beansprucht, um zu verhindern, dass wir stürzen. Unsere Augen verraten uns, ob wir uns auf glänzendem Glatteis oder feuchtem Asphalt befinden. Gleichgewichtssensoren in unserem Innenohr halten unseren Kopf auf Bodenhöhe. Und Sensoren in unseren Muskeln und Gelenken verfolgen die veränderte Position unserer Arme und Beine.

Jede Millisekunde fließen mehrere Informationsströme in das Gehirn, darunter Signale aus dem von Gouldings Team identifizierten Übertragungsweg für leichte Berührungen. Eine Möglichkeit, wie das Gehirn diese Daten verarbeitet, besteht darin, sie in sensorischen Stationen wie dem Auge oder dem Rückenmark vorzuverarbeiten. Das Auge verfügt beispielsweise über eine Schicht aus Neuronen und Lichtsensoren auf der Rückseite, die visuelle Berechnungen durchführt – ein Prozess, der als „Kodierung“ bezeichnet wird –, bevor die Informationen an die visuellen Zentren im Gehirn weitergeleitet werden. Im Fall von Berührungen gehen Wissenschaftler seit langem davon aus, dass die neurologische Bewegungschoreographie auf datenverarbeitenden Schaltkreisen im Rückenmark beruht. Bisher war es jedoch äußerst schwierig, die beteiligten Neuronentypen genau zu identifizieren und aufzuzeichnen, wie sie miteinander verbunden sind.

In ihrer Studie entmystifizierten die Salk-Wissenschaftler dieses fein abgestimmte sensorisch-motorische Kontrollsystem. Mithilfe modernster bildgebender Verfahren, die auf einem neu entwickelten Tollwutvirus basieren, verfolgten sie Nervenfasern, die Signale von den Berührungssensoren in den Füßen zu ihren Verbindungen im Rückenmark übertragen. Sie fanden heraus, dass diese Sinnesfasern im Rückenmark mit einer Gruppe von Neuronen verbunden sind, die als RORα-Neuronen bekannt sind und nach einem bestimmten Typ molekularer Rezeptoren benannt sind, die sich im Kern dieser Zellen befinden. Die RORα-Neuronen wiederum sind durch Neuronen in der motorischen Region des Gehirns verbunden, was darauf hindeutet, dass sie als entscheidende Verbindung zwischen dem Gehirn und den Füßen dienen könnten.

Von rechts: Steeve Bourane, Antoine Dalet, Stephanie Koch, Chris Padilla, Cathy Charles, Graziana Gatto, Tommie Velasquez und Martyn Goulding

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Bild: Mit freundlicher Genehmigung des Salk Institute for Biological Studies

Als Gouldings Team die RORα-Neuronen im Rückenmark mithilfe von bei Salk entwickelten gentechnisch veränderten Mäusen deaktivierte, stellten sie fest, dass diese Mäuse wesentlich weniger empfindlich auf Bewegungen über die Hautoberfläche oder auf ein klebriges Stück Klebeband an ihren Füßen reagierten. Trotzdem konnten die Tiere auf ebenem Boden normal laufen und stehen.

Als die Forscher die Tiere jedoch über einen schmalen, erhöhten Balken laufen ließen, eine Aufgabe, die mehr Anstrengung und Geschick erforderte, hatten die Tiere Schwierigkeiten und verhielten sich ungeschickter als Tiere mit intakten RORα-Neuronen. Die Wissenschaftler führen dies auf die verminderte Fähigkeit der Tiere zurück, Hautverformungen zu spüren, wenn ein Fuß von der Kante abrutscht, und entsprechend mit kleinen Anpassungen der Fußposition und des Gleichgewichts zu reagieren – motorische Fähigkeiten, die denen ähneln, die zum Balancieren auf Eis oder anderen rutschigen Oberflächen erforderlich sind.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der RORα-Neuronen ist, dass sie nicht nur Signale vom Gehirn und den Sensoren für leichte Berührungen empfangen, sondern auch direkt mit Neuronen im ventralen Rückenmark verbunden sind, die die Bewegung steuern. Somit sind sie das Zentrum eines „Mini-Gehirns“ im Rückenmark, das Signale des Gehirns mit sensorischen Signalen verknüpft, um sicherzustellen, dass sich die Gliedmaßen richtig bewegen.

„Wir glauben, dass diese Neuronen dafür verantwortlich sind, all diese Informationen zu kombinieren, um den Füßen zu sagen, wie sie sich bewegen sollen“, sagt Steeve Bourane, Postdoktorand in Gouldings Labor und Erstautor der neuen Arbeit. „Wenn Sie längere Zeit auf einer rutschigen Oberfläche stehen, werden Sie feststellen, dass Ihre Wadenmuskeln steif werden, aber Sie haben möglicherweise nicht bemerkt, dass Sie sie verwenden. Ihr Körper arbeitet auf Autopilot und nimmt ständig subtile Korrekturen vor, während Sie sich auf andere, übergeordnete Aufgaben konzentrieren können.“

Die Studie des Teams stellt den Beginn einer neuen Forschungswelle dar, die präzise und umfassende Erklärungen dafür liefern soll, wie das Nervensystem sensorische Informationen kodiert und integriert, um sowohl bewusste als auch unbewusste Bewegungen zu erzeugen.

„Wie das Gehirn eine Sinneswahrnehmung erzeugt und diese in eine Handlung umsetzt, ist eine der zentralen Fragen der Neurowissenschaften“, fügt Goulding hinzu. „Unsere Arbeit bietet einen wirklich fundierten Einblick in die Nervenbahnen und Prozesse, die der Bewegungssteuerung und der Wahrnehmung der Umgebung durch den Körper zugrunde liegen. Wir stehen am Anfang eines echten grundlegenden Wandels auf diesem Gebiet, was enorm aufregend ist.“

Weitere Autoren des Artikels waren Katja S. Grossmann, Olivier Britz, Antoine Dalet, Marta Garcia Del Barrio, Floor J. Stam, Lidia Garcia-Campmany und Stephanie Koch, alle vom Salk Institute.

Die Forschung wurde gefördert durch National Institutes of Health (Zuschüsse NS080586, NS086372 und NS072031), die Catharina Foundation, die Humboldt
Stiftung und Joan und Irwin Jacobs durch das Innovation Grants Program von Salk.

Über das Salk Institute for Biological Studies:
Das Salk Institute for Biological Studies ist eine der weltweit herausragenden Grundlagenforschungseinrichtungen, in der international renommierte Fakultäten grundlegende Fragen der Biowissenschaften in einem einzigartigen, kollaborativen und kreativen Umfeld untersuchen. Salk-Wissenschaftler konzentrieren sich sowohl auf Entdeckungen als auch auf die Betreuung zukünftiger Forschergenerationen und leisten bahnbrechende Beiträge zu unserem Verständnis von Krebs, Alterung, Alzheimer, Diabetes und Infektionskrankheiten, indem sie Neurowissenschaften, Genetik, Zell- und Pflanzenbiologie und verwandte Disziplinen studieren.

Die Leistungen der Fakultät wurden mit zahlreichen Ehrungen gewürdigt, darunter Nobelpreise und Mitgliedschaften in der National Academy of Sciences. Das 1960 vom Polioimpfpionier Jonas Salk, MD, gegründete Institut ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation und ein architektonisches Wahrzeichen.