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23. August 2018

Bewegungskontrolle: Wie unser Gehirn mit unerwarteten Ereignissen umgeht

Forscher vom Biozentrum der Universität Basel und vom Friedrich-Miescher-Institut (FMI) haben herausgefunden, dass der motorische Kortex für die Ausführung von korrigierenden Bewegungen als Antwort auf unerwartet und plötzlich veränderte Sinneseindrücke wichtig ist, nicht aber für dieselben Bewegungen, die spontan erfolgen. Dieses Phänomen spiegelt sich in Form von spezifischen Mustern unterschiedlich genutzter Nervenzellen im Kortex wider. Die Studie wurde kürzlich in «Neuron» veröffentlicht.

Warnung – eine unerwartete sensorische Rückmeldung kann verheerende Folgen haben, wenn dafür nicht entsprechend korrigiert wird (Bild: FMI).

Bei Säugetieren werden Bewegungen durch neuronale Netzwerke gesteuert, die sich über das gesamte zentrale Nervensystem vom Kortex bis zum Rückenmark erstrecken. Die Rolle des motorischen Kortex bei der Bewegungskontrolle ist bislang jedoch noch unklar. Beim Menschen können Verletzungen im motorischen Kortex zu einem Verlust der Bewegungskontrolle führen. Aufbauend auf der Expertise des Labors von Prof. Silvia Arber (Biozentrum/FMI) auf dem Gebiet der neuronalen Netzwerke und der Bewegungskontrolle und der Expertise des Labors von Dr. Georg Keller (FMI) im Bereich der in vivo Physiologie und Reizverarbeitung, ist es den Wissenschaftler nun gemeinsam gelungen, neue Einblicke in die Funktionsweise des motorischen Kortex zu erhalten.

Bewegungskontrolle bei unerwarteten Ereignissen
Ziel der Studie war es, herauszufinden, wie und unter welchen Bedingungen der motorische Kortex für die Kontrolle von Bewegungen benötigt wird. Die Forscher entwickelten eine Methode, mit der sie Mäuse trainieren konnten, sich in einem virtuellen Tunnel zu bewegen. Durch spontanes Drehen auf einem kugelförmigen Laufband konnten die Tiere je nach Erfordernis die Kursrichtung ändern. Darüber hinaus untersuchten sie, wie die Mäuse auf unerwartete Veränderungen in ihrer Umgebung reagieren und ihre Bewegungen korrigieren, zum Beispiel, wenn sich die Laufrichtung in der virtuellen Umgebung plötzlich verschiebt. So liessen sich die Bewegungen, welche die Mäuse entweder von selbst spontan ausführten, oder solche, die durch unerwartete visuelle Veränderungen ausgelöst wurden, miteinander vergleichen. Wie die Wissenschaftler herausfanden, ist der motorische Kortex nur dann für die entsprechende Bewegungssteuerung zuständig, wenn die Bewegung eine Antwort auf die unerwartete Situation darstellt. 

Spezifische Aktivitätsmuster im motorischen Kortex
Durch Aufnahmen der neuronalen Aktivität im motorischen Kortex konnten die Forscher zeigen, dass sich die Aktivitätsmuster bei Mäusen, die ihre Bewegungen als Reaktion auf unerwarteten visuelle Veränderungen korrigierten, sich von denen der Mäuse unterschieden, die dieselben Bewegungen spontan ausführten. Dies untermauert die korrektive Funktion des motorischen Kortex in unerwarteten Situationen, die eine plötzliche Anpassung der Bewegungen erfordern.  

«Wir glauben, dass die Erkenntnisse unsere Sichtweise verändern, wie der motorischen Kortex funktioniert. Von der Vorstellung, dass er die Bewegungen ‹einfach› nur steuert, hin zu einer Rolle, in der der motorische Kortex für die Bewegungskontrolle zuständig ist, wenn die Verarbeitung von Wahrnehmungen im Kortex stattfindet», sagt Matthias Heindorf, Erstautor und ehemaliger Doktorand im Labor von Arber und Keller. 

Originalartikel:
Matthias Heindorf, Silvia Arber & Georg B. Keller. Mouse motor cortex coordinates the behavioral response to unpredicted sensory feedback. Neuron; published online 23 August 2018

Kontakt: FMIKommunikation