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Handmotorische Steuerung des Gehirns

Handmotorische Steuerung des Gehirns


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Ich habe mir einen Dokumentarfilm angesehen (ich erinnere mich nicht an den Namen oder die URL des Dokumentarfilms), aber sie sagten, dass das Gehirn geschichtet ist und dass jede neue Schicht über der letzten liegt. Der primitivste Teil des Gehirns, der ein Signal sendet, um die Finger zu bewegen, hat also keine Möglichkeit, nur einen zu bewegen, sondern sendet tatsächlich eine Nachricht, um die Hand einfach zu öffnen und zu schließen. Diese Nachricht wird dann an einen neueren Teil des Gehirns weitergegeben, der sie dann in einzelne Fingerbewegungen filtert.

Ich würde gerne wissen, ob dies wahr ist und wie die neuere Schicht des Gehirns in der Lage ist, eine Öffnen-Schließen-Nachricht aufzunehmen und zu erkennen, welcher Finger zu bewegen ist.

Das klingt nach einer seltsamen Arbeitsweise des Gehirns; Während ich diese Nachricht mit 86 Wpm schreibe, wie erledigt mein Gehirn die komplexe Aufgabe, alle meine Finger von einer Öffnen-Schließen-Nachricht zu bewegen?


Handmotorische Steuerung des Gehirns - Biologie

Das bestimmende Merkmal des somatischen Nervensystems ist, dass es die Skelettmuskulatur steuert. Somatische Sinne informieren das Nervensystem über die äußere Umgebung, aber die Reaktion darauf erfolgt durch willkürliche Muskelbewegungen. Der Begriff „freiwillig“ suggeriert eine bewusste Entscheidung für eine Bewegung. Einige Aspekte des somatischen Systems verwenden jedoch willkürliche Muskeln ohne bewusste Kontrolle. Ein Beispiel ist die Fähigkeit unserer Atmung, auf unbewusste Kontrolle umzuschalten, während wir uns auf eine andere Aufgabe konzentrieren. Die Muskeln, die für den grundlegenden Atmungsprozess verantwortlich sind, werden jedoch auch für das Sprechen genutzt, was völlig freiwillig ist.


1. Einleitung

Im Jahr 2030 wird voraussichtlich fast jeder fünfte US-Bürger 65 Jahre oder älter sein. Es wird erwartet, dass diese Altersgruppe im Jahr 2050 auf 88,5 Millionen ansteigen wird, was die aktuelle Zahl (38,7 Millionen, US-Volkszählungsdaten) mehr als verdoppelt. Mit zunehmendem Alter nimmt die sensomotorische Kontrolle und Funktion ab. Diese Beeinträchtigungen der Feinmotorik, des Gangbildes und des Gleichgewichts beeinträchtigen die Fähigkeit älterer Erwachsener, Aktivitäten des täglichen Lebens auszuführen und ihre Unabhängigkeit zu bewahren. Die Ursachen für diese motorischen Defizite sind multifaktoriell, wobei ein Rückgang des zentralen Nervensystems und Veränderungen in sensorischen Rezeptoren, Muskeln und peripheren Nerven eine Rolle spielen.

Fortschritte in der Neuroimaging-Technik haben wesentlich zu unserem Verständnis des alternden Gehirns beigetragen. Der Einfluss altersbedingter Unterschiede im Gehirn auf die kognitive Funktion wurde in den letzten Jahren intensiv untersucht, und dieses Thema wurde an anderer Stelle behandelt (vgl. Cabeza, 2001 Li et al., 2001 Park & Reuter-Lorenz, 2009 Raz et al ., 2007). Die Literatur zu altersbedingten Unterschieden in der neuronalen Bewegungssteuerung hat sich nicht so schnell entwickelt, jedoch wurden bisher zahlreiche Studien durchgeführt (vgl. Harada et al., 2009 Heuninckx et al., 2005, 2008 Hutchinson et al., 2002 Mattay et al., 2002 Naccarato et al., 2006 Riecker et al., 2006 Ward & Frackowiak, 2003). Die bisherigen Ergebnisse weisen auf einige Parallelen in der Alterung des motorischen und kognitiven Systems hin, weisen aber auch auf Divergenzen hin. Ziel des vorliegenden Artikels ist es, einen umfassenden Überblick über altersbedingte Unterschiede in der Struktur, Funktion und Biochemie des Gehirns zu geben, unter besonderer Berücksichtigung ihres Einflusses auf die motorische Leistungsfähigkeit älterer Erwachsener. Wir stellen die Hypothese auf, dass die motorische Kontrolle mit zunehmendem Alter stärker auf zentrale Mechanismen angewiesen ist, einschließlich präfrontaler und basaler Gangliensysteme (zu unterstützender Evidenz siehe Abschnitte 3.3 und 4). Das Engagement dieser Strukturen spiegelt wahrscheinlich die zunehmende Abhängigkeit von den kognitiven Kontrollmechanismen bei älteren Erwachsenen wider, um altersbedingte sensomotorische Beeinträchtigungen auszugleichen (siehe Abbildung 1). Paradoxerweise weisen die präfrontalen Strukturen, die die kognitive Kontrolle unterstützen, die größten altersbedingten Unterschiede auf (Evidenz siehe Abschnitt 3.1), was möglicherweise zu weiteren Kompromissen bei der motorischen Kontrolle führt.

𠇊ngebot und Nachfrage” Rahmen für altersbedingte Veränderungen der neuronalen Bewegungssteuerung. Ältere Erwachsene verlassen sich zunehmend auf kognitive Gehirnprozesse für die motorische Kontrolle (ȁkognitiver Bedarf”) aufgrund struktureller und funktioneller Verschlechterungen in den motorischen kortikalen Regionen (MC), Kleinhirn und Basalganglien, verbunden mit einer verringerten Verfügbarkeit von Neurotransmittern. Gleichzeitig werden die Aufmerksamkeitskapazität und andere relevante kognitive Ressourcen (ȁkognitive Versorgung”) aufgrund der unterschiedlichen Degradation des präfrontalen Kortex (PFC) und des vorderen Corpus callosum (CC) reduziert. Junge Erwachsene (YA) Ältere Erwachsene (OA).

Hinweis: Wir verwenden den Begriff ȁkognitiv” hier in einem allgemeinen Sinn, um Aufmerksamkeit, Arbeitsgedächtnis, visuell-räumliche Verarbeitung und andere Funktionen zu repräsentieren, die zur motorischen Kontrolle beitragen.


Neuronale Bahnen zur kognitiven Steuerung und Kontrolle von Handbewegungen

Ein Stück Frucht – eine Rosine – schwingt an einem Stock vor einem Affen (Abb. 1). Er mag Rosinen, er will diese hier. Er streckt seinen Arm aus, öffnet seine Hand mit weit gespreizten Fingern und versucht, sie zu fangen, verfehlt er (Burst B und D). Er versucht es noch einmal, diesmal erfolgreich (Burst F). Er schnappt sich die Rosine, zieht sie vom Stiel, führt sie zum Mund und isst sie. Lecker! Was passiert im Gehirn, wenn das Tier diese Aktionen ausführt? Das Diagramm über den Bildern in Fig. 1 verfolgt die Reaktionen eines Neurons, das im lateralen Bereich 5 aufgezeichnet wurde, der an den intraparietalen Sulcus grenzt, eine Unterregion des posterioren parietalen Kortex (PPC), die ursprünglich von Mountcastle et al. untersucht wurde. (1, 2), und beschrieben als Handmanipulations-„Befehlsneuron“, das gezielte Aktionen der Hand ausführt: Greifen und Greifen eines Objekts von Verhaltensinteresse.

(Oberer, höher) Burst-Analyse neuronaler Reaktionen auf spontane Griffe und versuchte Griffe einer Rosine auf einem sich durch den Arbeitsbereich bewegenden Stock. Die grüne Burst-Spur markiert Intervalle, bei denen die Feuerungsraten eine SD über dem Mittelwert während des 3-minütigen Analysezeitraums liegen. Die Feuerrate ist am höchsten, wenn das Tier nach der Rosine greift und versucht, sie zu greifen (Burst B, D und F) und verfällt, wenn sich die Hand in eine Ruheposition zurückzieht. (Untere) Frame-by-Frame-Tracings der Handkinematik, Blickrichtung und Zielposition in digitalen Videoclips, die gleichzeitig mit neuronalen Reaktionen aufgezeichnet wurden. Gleiches Neuron wie in den Abbildungen 4–7 von Gardner et al. (30).

Mountcastleet al. (1) schlug vor, dass diese Regionen des PPC … afferente Signale empfangen, die die Position und Bewegung des Körpers im Raum beschreiben, und einen Befehlsapparat für die Betätigung der Gliedmaßen, Hände und Augen im unmittelbaren extrapersonalen Raum enthalten. Diese allgemeine Befehlsfunktion wird ganzheitlich ausgeübt. Es bezieht sich auf Handlungen, die auf bestimmte Verhaltensziele abzielen und nicht auf die Details der Muskelkontraktion während der Ausführung. Präzisiert werden diese Details nach dieser Hypothese durch das motorische System, wofür es aufgrund seiner mächtigen Mechanismen zur exakten Bewegungsvorgabe gut geeignet ist.

In diesem Bericht wurde jedoch kein anatomisches Substrat jenseits des „motorischen Systems“ definiert.

Bei PNAS haben Rathelot et al. (3) Verwenden einer hochmodernen neuroanatomischen Pfadverfolgung, um einen direkten Pfad vom lateralen Bereich 5 zu den Interneuronen des Rückenmarks zu demonstrieren, was einen effizienten und schnellen Weg zur Modulation von Hand- und Armbewegungen bei zielgerichtetem Verhalten bietet. Diese Autoren machten sich bakterielle Toxine und Viren zunutze, um die biologischen Schaltkreise zu kennzeichnen, die die vom PPC stammenden Befehlsfunktionen implementieren, und lieferten ein Schaltbild, das die traditionellen willkürlichen Bewegungspfade von Area 5 über kortikomotoneuronale Faserbahnen bis hin zu Motoneuronen ergänzt (4 ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ –13).

Rathelotet al. (3) Führen Sie den Leser Schritt für Schritt durch den Weg vom PPC zum Handeln. Zuerst platzierten sie Mikroelektroden im seitlichen Bereich 5, wo Mountcastle et al. (1) hatte „Befehls“-Neuronen aufgezeichnet und griffartige Bewegungen des Daumens und der Finger nach elektrischen Impulsfolgen, die von den Elektroden abgegeben wurden, hervorgerufen. Greifbewegungen wurden sowohl von der vorderen Bank des intraparietalen Sulcus (Bereich PEip) als auch von der angrenzenden kortikalen Oberfläche kaudal zum S1-Handbereich (Bereich PE) hervorgerufen.

Um die anatomischen Projektionsziele dieser physiologisch identifizierten Zonen zu bestimmen, haben Rathelot et al. (3) in den lateralen Bereich 5 wurde die Cholera-Toxin-Untereinheit B (CTb) injiziert, ein hochempfindliches anterogrades Tracermolekül. Die Aufnahme von CTb in Neuronen wird durch eine absorptive Endozytose vermittelt, wenn es an Monosialoglykosid G . bindetM1 in neuronalen Membranen und wird aktiv bidirektional innerhalb des Neurons transportiert, retrograd (zurück zum Zellsoma und Dendriten) und anterograd (vorwärts entlang des Axons zu den synaptischen Enden) (14, 15). Rathelotet al. (3) zeigen, dass der anterograde Transport von CTb eine dichte Markierung der Axonenden im medialen Hinterhorn des Rückenmarks von C2 nach T2 erzeugt. Diese Region wird von spinalen Interneuronen bevölkert, die somatosensorischen Input von Mechanorezeptoren in der Hand erhalten (16), von denen viele auch an Reflexwegen zu Hand-Motoneuronen beteiligt sind. Die absteigende kortikospinale Projektion von Bereich 5 ist kontralateral und schließt das Ventralhorn aus, in dem sich die Motoneuronen befinden. Der Weg von Bereich 5 ist disynaptisch und regt Motoneuronen nicht direkt an.

In einer zweiten Versuchsreihe haben Rathelot et al. (3) injizierte das Tollwutvirus in spezifische Handmuskeln, um die Schaltkreise der anatomischen Projektionen zu ihren spinalen Motoneuronen abzugrenzen. In früheren Studien zeigten diese und andere Autoren einen retrograden transneuronalen Transport des Tollwutvirus von Handmuskeln zu Motoneuronen-Pools des Rückenmarks und anschließend zu kortikomotoneuronalen Zellen des primären motorischen Kortex (13, 14, 17 ⇓ –19). Mehrere Ebenen des retrograden transneuronalen Transports hängen von der Überlebenszeit nach der Virusinjektion ab. Rathelotet al. (3) zeigen, dass kurze Überlebenszeiten sowohl die Zellsomas spezifischer Motoneuronen als auch die der Interneuronen in den Schichten IV–VIII markierten. Darüber hinaus gab es eine große Überlappung zwischen den retrograd virusmarkierten Interneuronen, die auf bestimmte Hand-Motoneuronen projizieren, und den anterograd markierten Nervenenden der CTb-Injektionen aus Bereich 5. Diese Daten zeigen, dass absteigende Projektionen aus Bereich 5 die Aktivität von Motoneuronen modulieren, die die Handmuskeln durch a disynaptischer Weg, der durch Interneuronen letzter Ordnung im medialen Hinterhorn vermittelt wird.

Längere Überlebenszeiten bezeichneten transneuronale Projektionen dritter Ordnung von der Großhirnrinde zu den virusinjizierten Handmuskeln. Diese Regionen umfassen den primären motorischen Kortex (M1), mehrere Regionen des prämotorischen Kortex und vor allem die Schicht V des lateralen Bereichs 5. Die retrograde Markierung in den Bereichen PE und PEip überlappte die anterograden Projektionsstellen, die in den CTb- und Mikrostimulationsexperimenten gezeigt wurden. Darüber hinaus war die Dichte transsynaptisch markierter Neuronen im PPC wesentlich höher, wenn das Tollwutvirus in die distalen Handmuskeln injiziert wurde, als in die proximalen Ellenbogen- und Schultermuskeln. Retrograd markierte kortikospinale Neuronen aus dem lateralen Bereich 5 waren nur etwa halb so häufig wie die in M1, aber fast 1,5-mal häufiger als die im dorsalen prämotorischen Kortex.

Rathelotet al. (3) schlussfolgern, dass die „laterale Region innerhalb des Bereichs 5 kortikospinale Neuronen hat, die direkt mit der Kontrolle der Handbewegungen verbunden sind“ und dass „eine lokalisierte Region innerhalb des posterioren parietalen Kortex“ einen direkteren „Weg zum Zugang zur motorischen Leistung“ hat als Bahnen aus prämotorischen Bereichen. Ihre Daten passen eindeutig zu Mountcastles Ansicht einer Befehlsfunktion für die PPC (1, 2).

Es ist bezeichnend, dass die von Rathelot et al. (3) terminieren auf Interneuronen, nicht auf Motoneuronen, wodurch die Erregbarkeit von Motoneuronen-Pools moduliert wird. Die Terminierung auf Motoneuronen würde dem PPC einfach eine direkte motorische Rolle übertragen. Stattdessen können PPC-Zellen durch die Terminierung auf Interneuronen, die bestimmte Motorpools aktivieren, den Motor aufdrehen oder verlangsamen, was die Erleichterung oder Hemmung bestimmter Aktionen ermöglicht. Darüber hinaus können PPC-Neuronen durch die Terminierung auf Interneuronen in einer somatosensorischen Projektionszone, wie von Rathelot et al.

Die 1975 von Mountcastle et al. Papier (1) war ein Game-Changer, ein Paradigmenwechsel in den Neurowissenschaften, weil es zeigte, dass es möglich ist, höhere Funktionen des Gehirns bei nichtmenschlichen Primaten zu studieren (Themen wie Absicht, Aufmerksamkeit auf sensorische Ereignisse, motorische Planung und Entscheidungsfindung). machen) und spontane komplexe Verhaltensweisen unter subjektiver Kontrolle des Tieres zu analysieren. Der Bericht entlarvte auch die Idee, dass die PPC ein sensorischer Assoziationsbereich höherer Ordnung war, in dem mehrere Modalitäten auf einzelnen Neuronen konvergierten. Die im Bericht von 1975 beschriebenen und in Fig. 1 dargestellten Aktionen kombinieren die visuelle Verfolgung eines Objekts und die Propriozeption von Hand- und Armaktionen während des Greifens und Greifens mit motorischen Verhaltensweisen, die erforderlich sind, um das Ziel der Erfassung eines unvorhersehbaren Zielschwingens im Raum zu erreichen.

Ist die Rolle der PPC sensorische, motorische oder eine Kombination dieser Funktionen? Wenn ein Tier seine Umgebung mit seinen Händen oder Augen erkundet, sucht es nach Informationen oder versucht, ein gewünschtes Objekt, wie beispielsweise Nahrung, zu erlangen. Diese Aktionen bleiben bestehen, bis das Ziel erreicht ist. Sensorisches Feedback bestätigt subjektive Erwartungen oder ändert Handlungen, um dieses Ziel zu erreichen.

Spätere Studien anderer Neurophysiologen, die trainierte Aufgaben verwendeten, zeigten eindeutig, dass PPC-Neuronen in den Bereichen 5 und 7 zielgerichtete Bewegungen der Hand, des Arms und der Augen planen, um eine Belohnung zu erhalten, und relevantes sensorisches Feedback zum Erreichen der Aufgabenziele liefern ( 20). Diese Funktionen sind anatomisch in spezifische Unterregionen des PPC unterteilt. Mediale Bereiche, wie der mediale intraparietale Bereich und die „parietale Reichweitenregion“, werden durch Erreichen von Zielen im Arbeitsbereich (21 ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ –26) seitliche kortikale Regionen um den intraparietalen Sulcus (Bereich 5 und das vordere interparietale .) Area) signalisieren die Handhaltungen zum Greifen bestimmter Objekte (27 ⇓ ⇓ ⇓ –31) und Areale der medialen Hemisphärenwand integrieren Arm- und Handbewegungen mit visuellen Signalen (32, 33). Motorische Pläne und sensorische Aufmerksamkeit werden durch parietale Verbindungen mit relevanten prämotorischen Bereichen des Frontallappens in Aktion umgesetzt. Die von Rathelot et al. Bericht (3) zeigt einen neuen Weg: direkte parietale Verbindungen zu spinalen Interneuron-Pools, die die Modulation spinaler Schaltkreise für zielgerichtete Aktionen von Hand und Arm ermöglichen und die traditionelleren direkten frontalen motorischen Wege ergänzen.


Brain-Mapping-Studie legt nahe, dass motorische Regionen für die Hand auch mit dem gesamten Körper in Verbindung stehen

Die Kartierung verschiedener Teile des Gehirns und die Bestimmung ihrer Entsprechung zu Gedanken, Handlungen und anderen neuralen Funktionen ist ein zentrales Forschungsgebiet der Neurowissenschaften, aber während frühere Studien mit fMRT-Scans und EEG es Forschern ermöglicht haben, Hirnareale, die mit verschiedenen Typen in Verbindung stehen, zu groben der neuronalen Aktivitäten erlaubten sie es nicht, die Aktivität einzelner Neuronen abzubilden.

Jetzt in einer Papierveröffentlichung am 26. März in der Zeitschrift Zelle, berichten Forscher, dass sie Mikroelektroden-Arrays verwendet haben, die in das Gehirn von zwei Menschen implantiert wurden, um motorische Funktionen bis auf die Ebene einer einzelnen Nervenzelle abzubilden. Die Studie ergab, dass ein Bereich, von dem angenommen wird, dass er nur einen Körperteil kontrolliert, tatsächlich über eine Vielzahl von motorischen Funktionen verfügt. Es zeigte auch, wie verschiedene Neuronen miteinander koordinieren.

„Diese Forschung zeigt zum ersten Mal, dass ein Bereich des Gehirns, der zuvor nur mit Arm und Hand verbunden war, Informationen über den gesamten Körper hat“, sagt Erstautor Frank Willett, Postdoc am Neural Prosthetics Translational Laboratory in Stanford Universität und das Howard Hughes Medical Institute. "Wir haben auch festgestellt, dass dieser Bereich einen gemeinsamen neuronalen Code hat, der alle Körperteile miteinander verbindet."

Die Studie, eine Zusammenarbeit zwischen Neurowissenschaftlern der Stanford und der Brown University, ist Teil von BrainGate2, einer klinischen Pilotstudie mit mehreren Standorten, die sich auf die Entwicklung und Erprobung medizinischer Geräte zur Wiederherstellung der Kommunikation und Unabhängigkeit bei Menschen mit neurologischen Erkrankungen wie Lähmung und Locked-in-Syndrom konzentriert. Ein Hauptaugenmerk des Stanford-Teams liegt auf der Entwicklung von Möglichkeiten, die Fähigkeit dieser Menschen wiederherzustellen, über Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCIs) zu kommunizieren.

An der neuen Studie nahmen zwei Teilnehmer mit chronischer Tetraplegie teil – teilweiser oder vollständiger Funktionsverlust in allen vier Gliedmaßen. Einer von ihnen hat eine hochgradige Rückenmarksverletzung und der andere hat amyotrophe Lateralsklerose. Beide haben Elektroden im sogenannten Handknopfbereich des motorischen Kortex ihres Gehirns implantiert. Dieser Bereich – teilweise wegen seiner knaufartigen Form benannt – wurde früher angenommen, um die Bewegung nur in den Händen und Armen zu kontrollieren.

Die Forscher verwendeten die Elektroden, um die Aktionspotentiale in einzelnen Neuronen zu messen, wenn die Teilnehmer gebeten wurden, bestimmte Aufgaben zu erledigen – zum Beispiel einen Finger zu heben oder einen Knöchel zu drehen. Die Forscher untersuchten, wie die Mikroarrays im Gehirn aktiviert werden. Überrascht stellten sie fest, dass der Handknaufbereich nicht nur durch Bewegungen in Hand und Arm, sondern auch in Bein, Gesicht und anderen Körperteilen aktiviert wurde.

„Eine weitere Sache, die wir in dieser Studie untersuchten, war die Abstimmung von Bewegungen der Arme und Beine“, sagt Willett, „zum Beispiel das Bewegen des Handgelenks nach oben oder des Knöchels. Wir hätten erwartet, dass die resultierenden Muster der neuronalen Aktivität im motorischen Kortex anders sein, weil es sich um eine völlig andere Muskelgruppe handelt. Wir haben tatsächlich festgestellt, dass sie sich viel ähnlicher sind, als wir erwartet hätten." Diese Ergebnisse zeigen eine unerwartete Verbindung zwischen allen vier Gliedmaßen im motorischen Kortex, die dem Gehirn helfen könnte, Fähigkeiten, die mit einer Gliedmaße auf eine andere erlernt wurden, zu übertragen.

Willett sagt, dass die neuen Erkenntnisse wichtige Auswirkungen auf die Entwicklung von BCIs haben, um gelähmten Menschen zu helfen, sich wieder zu bewegen. „Früher dachten wir, dass wir, um verschiedene Teile des Körpers zu kontrollieren, Implantate in viele Bereiche des Gehirns setzen müssten“, bemerkt er. "Es ist spannend, denn jetzt können wir mit einem Implantat in nur einem Bereich kontrollierende Bewegungen im ganzen Körper erforschen."

Eine wichtige potenzielle Anwendung für BCIs besteht darin, dass Menschen, die gelähmt sind oder ein Locked-in-Syndrom haben, durch die Steuerung einer Computermaus oder eines anderen Geräts kommunizieren können. "Es kann sein, dass wir verschiedene Körperbewegungen mit verschiedenen Arten von Computerklicks verbinden können", sagt Willett. "Wir hoffen, dass wir diese verschiedenen Signale genauer nutzen können, um es jemandem zu ermöglichen, der nicht sprechen kann, einen Computer zu benutzen, da neuronale Signale von verschiedenen Körperteilen für ein BCI einfacher zu trennen sind als diejenigen, die vom Arm oder der Hand allein stammen."

Diese Arbeit wurde unterstützt vom Office of Research and Development, Rehabilitation R and D Service, Department of Veterans Affairs, dem Executive Committee on Research des Massachusetts General Hospital, NIDCD, NINDS, Larry und Pamela Garlick, Samuel und Betsy Reeves, dem Wu Tsai Neuroscience Institute in Stanford, die Simons Foundation Collaboration on the Global Brain, das Office of Naval Research und das Howard Hughes Medical Institute.

Zelle, Willettet al. "Der Handknopfbereich des prämotorischen Kortex repräsentiert den ganzen Körper auf kompositorische Weise" https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)30220-8

Zelle (@CellCellPress), das Flaggschiff-Journal von Cell Press, ist ein zweimonatlich erscheinendes Journal, das Ergebnisse von ungewöhnlicher Bedeutung in jedem Bereich der experimentellen Biologie veröffentlicht, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Zellbiologie, Molekularbiologie, Neurowissenschaften, Immunologie, Virologie und Mikrobiologie, Krebs, Humangenetik, Systembiologie, Signalübertragung sowie Krankheitsmechanismen und Therapeutika. Besuchen Sie: http://www. Zelle. com/ Zelle. Um Medienbenachrichtigungen von Cell Press zu erhalten, wenden Sie sich an [email protected]

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Anatomie und Funktionen des Pons

Der Pons ist mit einer Länge von nur 2,5 cm einer der kleinsten Teile des Gehirns, aber insbesondere als Teil des Hirnstamms ist er an einer Vielzahl von Prozessen beteiligt, die das zentrale und periphere Nervensysteme.

Hirnnerven

Der Pons ist von entscheidender Bedeutung für die zentrale und Periphäres Nervensystem – ein Hauptgrund dafür sind seine Verbindungen zu mehreren Hirnnerven, einschließlich des Trigeminus-, Abducens-, Gesichts- und Vestibulocochlearis.

In der Mitte des Pons befindet sich eine Vertiefung oder Linie, die Basilarrille genannt wird (auch dort, wo sich die Basilararterie befindet). Mit Ausnahme des Trigeminusnervs entstammen alle Hirnnerven derselben Seite der Basilarfurche.

Aufgrund seiner Fülle an Nervenverbindungen ist der Pons an vielen Funktionen des Nervensystems beteiligt, die von sensorischen bis hin zu motorischen Funktionen reichen. Der Trigeminusnerv ist der größte Hirnnerv und verdankt seinen Namen seinen drei Ästen: dem Augen-, Oberkiefer- und Unterkiefernerv.

Dies Ansammlung von Nerven steuert sensorische Informationen aus Gesichtsorganen und die motorische Steuerung des Kauens.

Der Abducens steuert die Bewegung des Auges, der Gesichtsnerv steuert den Gesichtsausdruck (kontrolliert also die Weiterleitung der neuronalen Signale vom Gehirn an alle feinen Muskeln im Gesicht – also a Menge zu bewältigen!) und den Geschmackssinn und die vestibulokochleär reguliert das Gleichgewicht und die Hörempfindungen.

Alle mit dieser Struktur verbundenen Hirnnerven treten aus der ventralen Oberfläche des Pons aus.

Selbst wenn wir hier aufhören würden, ist klar, dass die Funktionalität der Pons weitreichend ist. Aber damit hört es nicht auf!

Andere externe anatomische Merkmale des Pons

Das gleiche Gebiet, aus dem diese Hirnnerven emerge zeichnet sich durch eine Ausbuchtung aus, die von einer Struktur gebildet wird, die als transversale pontozerebelläre Fasern bezeichnet wird. Dieses Nervenbündel ist mit dem Kleinhirn verbunden und bildet die wichtigste afferente Quelle für neuronale Informationen zum Kleinhirn.

Ein Großteil der über die pontozerebellären Fasern gesendeten Informationen betrifft die Planung und Ausführung von Feinbewegungen, insbesondere von Arm-, Unterarm- und Handbewegungen. Diese Fasern wickeln sich um den Rest des Hirnstamms.

Ein wichtiger Orientierungspunkt ist der pontomedulläre Übergang: Dieser wird durch den Winkel zwischen der unteren Region des Pons und der oberen Begrenzung der Medulla oblongata markiert.

Der Boden des vierten Ventrikels bildet zusammen mit dem der Medulla oblongata die Rückenfläche des Pons. In diesem Bereich des Pons sind noch einige weitere Strukturen zu erkennen, darunter die mediale Eminenz, die die Mittellinie der Rückenfläche markiert, der Gesichtscolliculus, eine Ausbuchtung, die von der Fasern der Gesichtsnerven die sich um den Kern des Abducens und die Stria medullaris, ein Nervenbündel des vierten Ventrikels, schlingen.

Ein weiterer Orientierungspunkt, der Ihnen bei der Identifizierung der Pons hilft, ist der Kleinhirnbrückenwinkel, bei dem der Kleinhirnflokkulus (ein kleiner Teil des Kleinhirns, der an der motorischen Steuerung beteiligt ist), der ventrikulärer Plexus choroideus, und der Nervus facialis und der Nervus vestibulocochlearis umgeben das Foramen Luschka (Strukturen, die den vierten Ventrikel mit der Cisterebellopontine-Zisterne verbinden, einem weiteren Raum, in dem sich die Liquor cerebrospinalis ansammeln kann).

Innere Anatomie des Pons

Es wird anerkannt, dass der Pons zwei Hauptabteilungen hat: die ventrale Pons und der tegmentum (Anders als das Tegmentum des Mittelhirns.) Der ventrale Pons beherbergt die pontinen Kerne, Strukturen, die für die Bewegungskoordination verantwortlich sind. Diese Kerne wandern vom Pons über die Mittellinie und bilden auf ihrem Weg zum Kleinhirn die mittleren Kleinhirnstiele.

Das Tegmentum des Pons wird evolutionär als die ältere Region des Pons angesehen (was bedeutet, dass diese Struktur in den Vorfahren des Menschen und anderer Wirbeltiere vorhanden war, die einen Pons als Teil ihres Nervensystems haben).

Das Tegmentum bildet einen Teil der Formatio reticularis, ein Netzwerk von Nerven, die von der Medulla oblongata ausgehen und mit dem Rückenmark und dem Thalamus verbunden sind.

Pontinische Kerne

Diese Kerne sind ein Teil des Pons, das ist beschäftigt sich mit motorischer Aktivität. Sie gehören zu den größten Kernen, die das Kleinhirn informieren und stellen einige der wichtigsten neuronalen Übertragungen bereit. Die pontinen Kerne werden hauptsächlich von der Großhirnrinde informiert und projizieren auf die Kleinhirnhemisphären.

Netzartige Struktur

Die Netzartige Struktur ist eine komplexe Ansammlung von Nervenfasern und Zellkörpern, die aus aufsteigenden und absteigenden Nervenbahnen bestehen. Kerne innerhalb der Formatio reticularis sind an der Produktion von Neurotransmittern beteiligt und mit mehreren Hirnnerven verbunden, die sowohl die sensorischen als auch die motorischen Funktionen mit den absteigenden Bahnen und die Erregung und das Bewusstsein mit den aufsteigenden Bahnen kontrollieren.

Die Neurotransmitter die von der Formatio reticularis produziert werden, sind mit vielen Teilen des zentralen Nervensystems verbunden und regulieren viele Arten von Aktivitäten in verschiedenen Bereichen des Gehirns. Diese Formatio reticularis hängt mit der Produktion von Dopamin, der Freisetzung von Serotonin, der Produktion von Acetylcholin und mehr zusammen. Alle diese Hormone und Neurotransmitter stehen in Zusammenhang mit der Sinneswahrnehmung, der motorischen Kontrolle und der Verhaltensreaktion auf verschiedene Reize.

Nervenbahnen, die durch den Pons verlaufen

Es gibt vier Hauptnervenbahnen, die durch den Pons verlaufen, um die sensorischen, autonomen und willkürlichen Funktionen des Körpers zu steuern.

Kortikospinaltrakt

Die Kortikospinaltrakt (CST), auch Pyramidenbahn genannt, umfasst einen Teil der absteigenden Nervenbahnen, die vom Pons in das Rückenmark und in das periphere Nervensystem austreten. Es gibt ungefähr 1 Million Nervenfasern, aus denen die CST besteht, jede der neuronalen Informationen überträgt mit Geschwindigkeiten von 60 m/s!

Die CST wandert durch die Corona radiata (ein Blatt weißer Substanz) und den hinteren Schenkel der inneren Kapsel, um im Hirnstamm zu enden. Sobald es den Hirnstamm erreicht, ist eine der Strukturen, die es passiert, natürlich das Pons. Der CST steuert viele motorische Funktionen, einschließlich der Wirbelsäulenreflexe, und die bemerkenswertesten der willkürlichen Bewegungen sind die willkürlichen distalen Bewegungen.

Kortikobulbärtrakt

Dies ist eine absteigende neuronaler Weg verantwortlich für die Innervation mehrerer Hirnnerven und die Kontrolle der Muskeln im Gesicht, der Zunge, des Kiefers und des Rachens.

Die Hirnnerven die vom kortikobulbären Trakt versorgt werden, umfassen den Trigeminusnerv (kontrolliert den Kauprozess), den Gesichtsnerv (kontrolliert die Gesichtsmuskeln), den Accessoire-Nerv (kontrolliert insbesondere die M. sternocleidomastoideus und den Trapezius) und den Nervus hypoglossus (kontrolliert die Zungenmuskulatur). .

Medialer Lemniscus-Trakt

Die Nervenbahn ist Teil einer größeren Bahn, die als dorsale Säule-mediale Lemniscal-Bahn bezeichnet wird und für die Übertragung sensorischer Informationen in Bezug auf die Feinfühligkeit, die Erkennung von Vibrationen und die Propriozeption (Bewusstsein der Position bestimmter Körperteile) verantwortlich ist.

Spinothalamus-Trakt

Der Tractus spinothalamicus arbeitet zusammen mit dem Tractus medialis lemniscus, um einen der wichtigsten Bahnen des Nervensystems zu bilden, der für die Übertragung von Informationen bezüglich der Empfindung verantwortlich ist.

Neuronale Signale in Bezug auf Schmerz, Temperatur und Berührung werden über diesen Nerventrakt an die somatosensorische Region des Hypothalamus weitergeleitet. Insgesamt besteht der Tractus spinothalamicus aus vier Subtrakten: dem Tractus spinothalamicus anterior, dem Tractus spinothalamicus lateralis, dem Tractus spinoretikulär und dem Tractus spinotectalis.


Das Erlernen der feinmotorischen Koordination verändert das Gehirn

Zusammenfassung: Die Studie identifiziert eine Population von Neuronen in einem Bereich des Mittelhirns, dem sogenannten roten Kern, der sich verändert, wenn Feinmotorik erlernt wird. Je mehr eine Handlung geübt wird, desto stärker werden die Verbindungen zwischen diesen Neuronen.

Quelle: Universität Basel

Wenn wir das Greifen und Greifen von Gegenständen trainieren, trainieren wir auch unser Gehirn. Mit anderen Worten, diese Aktion bewirkt Veränderungen in den Verbindungen einer bestimmten neuronalen Population im roten Kern, einer Region des Mittelhirns. Forschende des Biozentrums der Universität Basel haben diese Gruppe von Nervenzellen im roten Kern entdeckt. Sie haben auch gezeigt, wie feinmotorische Aufgaben die plastische Reorganisation dieser Hirnregion fördern. Die Ergebnisse der Studie wurden kürzlich in veröffentlicht Naturkommunikation.

Das bloße Greifen einer Kaffeetasse erfordert eine feinmotorische Koordination mit höchster Präzision. Diese geforderte Leistung des Gehirns ist eine Fähigkeit, die auch erlernt und trainiert werden kann. Die Forschungsgruppe von Prof. Kelly Tan am Biozentrum der Universität Basel hat den roten Kern, eine Region des Mittelhirns, die die Feinmotorik steuert, untersucht und eine neue Population von Nervenzellen identifiziert, die sich beim Training der feinmotorischen Koordination verändert. Je mehr Greifen geübt wird, desto stärker werden die Verbindungen zwischen den Neuronen dieser Gruppe von Nervenzellen.

Der rote Kern, eine wenig erforschte Region des Gehirns

Greifen ist eine Fähigkeit, die auch bei Erwachsenen trainiert und verbessert werden kann. Damit Muskeln eine Bewegung richtig ausführen können, müssen Gehirnbefehle über das Rückenmark übertragen werden. Der rote Kern, der in der Hirnforschung über die Jahre wenig Beachtung gefunden hat, spielt eine wichtige Rolle bei der feinmotorischen Koordination. Hier lernt das Gehirn neue Feinmotorik zum Greifen und speichert das Gelernte ab.

Unsere Feinmotorik wie das Greifen wird vom roten Kern, einer Region des Mittelhirns, gesteuert. Das Bild wird der Universität Basel, Biozentrum, zugeschrieben.

Das Team von Kelly Tan hat nun den roten Kern im Mausmodell genauer untersucht und seine Struktur und neuronale Zusammensetzung analysiert. “Wir haben festgestellt, dass diese Hirnregion sehr heterogen ist und aus verschiedenen Neuronenpopulationen besteht”, sagt Giorgio Rizzi, Erstautor der Studie.

Verbesserte Feinmotorik durch plastische Veränderungen im Gehirn

Das Forscherteam hat eine dieser Neuronenpopulationen charakterisiert und gezeigt, dass das Erlernen neuer Greifbewegungen die Verbindungen zwischen den einzelnen Neuronen stärkt. “Beim Erlernen neuer Feinmotorik wird die Koordination dieser spezifischen Bewegung optimiert und als Code im Gehirn gespeichert”, erklärt Tan. “Damit konnten wir auch im roten Zellkern Neuroplastizität nachweisen.”

In einem weiteren Schritt will das Team nun die Stabilität dieser gestärkten Nervenzellverbindungen im roten Kern untersuchen und herausfinden, inwieweit sie sich zurückbilden, wenn die erlernten feinmotorischen Bewegungen nicht geübt werden. Die Ergebnisse könnten auch neue Erkenntnisse zum Verständnis der Parkinson-Krankheit liefern, bei der Betroffene an motorischen Störungen leiden. The team hopes to find out whether the neuronal connections in the red nucleus have also changed in these patients and to what extent fine motor training can restrengthen the neuronal network.

Quelle:
University of Basel
Media Contacts:
Heike Sacher – University of Basel
Image Source:
The image is credited to University of Basel, Biozentrum.


Understanding the control of instinctive behaviour

Dr. Cornelius Gross, Deputy Head of Unit and Senior Scientist at EMBL, recently gave a seminar at SWC on how animals produce and control fear behaviours. I caught up with him to learn more about his research on instinctive behaviours.

How do you define instinctive behaviour?

People often use the terms “instinctive” or “innate” to describe behaviours that are not learned, i.e. behaviours you already know how to do for the first time. Instinctive behaviours are important for promoting the survival of your genes and thereby your species.

What role is the hypothalamus thought to play in the expression of instinctive behaviours?

The hypothalamus is an ancient part of the brain whereas other areas, such as the cortex and forebrain, are very recent evolutionary additions. As such, the hypothalamus is able to respond to sensory inputs, form internal states and induce motor outputs.

According to the evolutionary neurobiologist Detlev Arendt, the hypothalamus was formed by the fusion of two ancient neural nets:

  • a neuroendocrine system that responded to light and secreted factors into the main body cavity – ancestor of the modern midline neuroendocrine nuclei
  • a motor system that controlled contractile tissue to produce basic behavioral patterns – ancestor of the medial and lateral hypothalamus that control instinctive behaviors

The hypothalamus is sometimes mistakenly called the “reptilian” brain in reality it dates back to before the appearance of the first bilaterian organisms and is perhaps better termed the Ur-brain. A lot of current work focuses on trying to understand how the hypothalamus encodes internal motivational states that drive instinctive behaviour, and although its basic architecture was clarified already 30 years ago, how it controls behaviour it still pretty much a mystery.

Why does emotion often accompany instinctive urges in humans?

The question of emotion is a prickly issue. Strictly speaking, only humans have emotions as, by definition, they have to be conscious and reportable in some way. However, we know that areas of the brain that control behaviours associated with emotions like fear and sexual desire in humans are highly conserved across many species and so the presumption is that animals also have emotion-like states, which we call internal states or motivational states.

You might ask why we don’t just respond to threatening stimuli by running away without feeling the emotion of fear. This strategy might be effective for an animal that repeatedly encounters the same threat and has a standard, fixed response pattern. This happens in humans for example when we trip and our hands automatically rise to protect our face. However, emotional behaviours are typically elicited by living, autonomous stimuli that are unpredictable.

To survive animals need to integrate information about a threat to guide the activation of a repertoire of predetermined instinctive behaviours, both to select the most appropriate response and to keep the predator guessing about its intentions. One can argue that such an integration-selection task is better served by the activation of an internal state that encodes threat intensity and that empowers a variety of behavioural responses. It is not clear, however, whether internal states are really the best way to drive instinctive behaviour, or whether this brain architecture is just an evolutionary relic that was useful to our ancestors.

One idea is that emotions in humans are the result of our conscious detection of these internal states. As our cortex has developed, our capacity for self-awareness of our internal states has increased to the point where we are often able to feel and report them. In my opinion, a major goal of emotional behaviour research is to discover methods to increase awareness of our internal states and reduce the suffering they impart.

How much is currently known about the brain regions that support instinctive responses?

The basic architecture of the system – the brain regions involved and their connections – was worked out in the 1980s and 90s using classic anatomical methods. At the moment we are in a second phase of discovery where we are applying new genetic tools – optogenetics, pharmacogenetics, and neural activity imaging – to identify the individual cell-types involved and see how the microcircuitries in each structure works.

At the completion of this discovery phase will should understand how you go from sensory input to motor output and how information is encoded and transformed at each synapse along the way. With this information we will be able to make computational models that will help us predict the performance of these circuits and will lead us to new hypotheses about how their work that can be tested by further experiments. I was excited to see how the Sainsbury Wellcome Centre is perfectly placed to contribute to this marriage between experimental and computational neural circuit approaches.

A future phase will focus on plasticity and how the circuits can be adapted, and exploring how the process can be targeted by drugs, such as small molecules that can selectively block regions or cell types or modulate their computational capacity to mitigate behaviours. We are still a long way away from translating this work to humans, but there is great potential in targeting the instinctive behavioural system to treat psychiatric disorders because the suffering associated with these illnesses is overwhelmingly caused by pathological excess or insufficiency in these behaviors.

Why are we so far away from translating this research to humans?

For one, if you look at the human literature nobody talks about the hypothalamus and behaviour. The hypothalamus is very small and can’t be readily seen by human brain imaging technologies like functional magnetic resonance imaging (fMRI). Also, much of the anatomical work in the instinctive fear system, for example, has been overlooked because it was carried out by Brazilian neuroscientists who were not particularly bothered to publish in high profile journals. Fortunately, there has recently been a renewed interest in these behaviors and these studies are being newly appreciated.

Are animals able to control instinctive behaviours?

Yes, we observe that animals dramatically adapt their instinctive responses depending on their environment. For example, animals can become more avoidant of other animals, a form of social fear, if they are bullied by other animals and this avoidance can last for weeks even if the animal is not further bullied.

We have some ideas of how this plasticity works. Cortical structures that record past experiences are able to reach into the brain regions that control the production of instinctive fear behaviour and suppress them. And we have found that these circuits are conserved in primates, so it is very likely that humans use them as well to suppress avoidance behavior.

We also know that the capacity to control instinctive behaviours increases around adolescence when humans begin to interact with peers and presumably need to regulate their instincts so as to balance their immediate needs with those of the group.

How are instinctive behaviours connected to psychiatric disorders?

If you talk to psychiatrists about the things that bother their patients most, they often say it is the negative symptoms such as aggression, fear, and lack of pleasure. Even if we don’t know the origin of the disorder, if we could block the relevant instinctive drive, we could probably help these people. A drug that selectively ramped down aggression, for example, even if it did not improve cognitive symptoms, could be very useful in autism or schizophrenia.

Even if we could target negative behaviour, would people still experience negative feelings?

It would depend on where you intervene between the sensory input and motor output. Of course, this is a big question in humans as we have so much access to our internal states and we don’t really know at what part along the pathway the emotions are getting monitored.

Work in mice and rats suggests that the emotional part is coming from a connection between the medial hypothalamus and cortex that goes via the mid-line thalamus, but in humans this may be different as there may be more connections that we don’t know about. For example, humans could have access to very early sensory information with emotional content, and blocking this could be much more complex than in mice and rats.

What techniques do you currently use in the lab and what are the main research challenges you face?

We use the full range of neural circuit and molecular manipulation and monitoring tools adapted to behaving mice. Many of these are new and truly revolutionary, but we still need more selectively ways to subtly up and down modulate synaptic connections without altering endogenous neural firing activity.

This is because our current tools are still very crude as they globally activate or suppress cells, essentially breaking the circuit. Ideally, you want to leave the circuits intact and tweak their computational properties up or down, increasing or decreasing the gain to see what happens.

Another advance that is desperately needed is the ability to record from thousands or even millions of neurons simultaneously across many brain regions. This will allow us to see brain states encoded in a distributed manner and understand how the brain works as a single organ.

At the same time we need to go down to the sub-cellular level and understand the cell biological mechanisms of circuits. I think we will find that there is a lot of divergence from the standard models about how neurons work. This work will require electron microscopy as synapses lie beyond the resolution of light microscopy, and new tools will be needed like genetically-encoded EM-visible dyes and sensors.

About Dr. Cornelius Gross

Dr. Cornelius Gross is Group Leader, Senior Scientist, and Deputy Head of the Epigenetics & Neurobiology Unit at the European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Rome since 2003. His research aims to understand the neural circuit mechanisms controlling instinctive behaviors, with a special focus on fear and anxiety.

Dr. Gross was raised in the United States and received undergraduate training in biophysics at the University of California, Berkeley and then pursued doctoral research at Yale University studying transcriptional regulation by homeodomain factors with William McGinnis. Dr. Gross then joined the group of René Hen at Columbia University as a postdoctoral fellow where he discovered a developmental role for serotonin in determining life-long anxiety-related behavior and identified the serotonin receptor responsible for the therapeutic effects of antidepressants.

In his early work at EMBL he showed how deficits in serotonin autoregulation can cause sudden infant death syndrome and how serotonin moderates the impact of maternal care on anxiety traits in adulthood. His laboratory is currently focused on characterizing hypothalamic and brainstem circuits that regulate social and predator fear and understanding the role of microglia in determining the wiring of behavioral circuits during development.

In 2013 he was awarded an Advanced Grant from the European Research Council (ERC) to study social and predator fear circuits in the brain. Earlier in his career Dr. Gross served for two years as a science teacher at a public high school in New York City, where he gained an appreciation of the benefits and challenges of communicating science to a lay audience. He is married with three children and lives in Rome, Italy.


How the Motor Cortex Works

The different sections of the motor cortex control different aspects of movement. For example, the premotor cortex is responsible for planning movement, and the primary motor cortex is in charge of executing that movement.

The primary motor cortex is arranged in such a way that different parts of the cortex control different parts of the body. However, not every part has equal amounts of brain matter devoted to it.

Complex movements that require more precise control take up larger amounts of space in the brain than simple motions do. For example, a significant portion of the motor cortex is devoted to finger movements and facial expressions, while a smaller portion of the brain is responsible for leg motions, since these movements are less precise.

This fact explains why many stroke patients struggle with fine motor control or facial paralysis. Because those motions are controlled by a larger portion of the motor cortex, they have a much higher likelihood of becoming damaged during a stroke.

On the other hand, with leg control, only a small amount of brain matter controls it. So a stroke must occur in that small area in order to affect the leg.


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Bemerkungen:

  1. Josephus

    Früher habe ich anders gedacht, danke für die Erklärung.

  2. Chevalier

    Sollten Sie sagen, Sie haben getäuscht.

  3. Aethelstan

    habe sowas nicht gehört

  4. Fauzil

    I mean you are wrong. Enter we'll discuss it. Write to me in PM, we'll talk.

  5. Caden

    Ich entschuldige mich, aber ich glaube, Sie liegen falsch. Ich kann es beweisen. Schreib mir per PN, wir reden.

  6. Goltile

    Was für eine angenehme Botschaft



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