Neu identifizierte Rolle für die Hemmung von Plastizität und Verhalten des Kleinhirns

Selbstbewusster werden? JA, so und nicht anders! - [Teil 3] (Juli 2019).

Anonim

Fast jeder kennt die einzigartige Mischung aus Überraschung und Verwirrung, die entsteht, wenn man bei einer alltäglichen Bewegung einen Fehler macht. Es ist eine ziemlich überraschende Erfahrung - auf einer Stufe zu stolpern oder versehentlich den Mund zu verlieren, wenn man etwas trinkt. Diese Aktionen sind so tief verwurzelt, dass jedem Missgeschick fast immer die Frage folgt: "Warum in der Welt habe ich das gerade getan?" Diese momentane Verwirrung beruht auf der Tatsache, dass unsere Gehirne eine außerordentliche Fähigkeit haben, geschickte Bewegungen zu lernen. So sehr, dass unsere alltäglichen Handlungen, wie das Treppensteigen, zur zweiten Natur werden. Zum größten Teil denken wir nicht einmal bewusst über sie nach. .. das ist, bis wir einen Fehler machen.

Während Fehler (Fehler in der motorischen Leistung) nicht sehr häufig auftreten, sobald wir etwas aufgenommen haben, sind sie das Werkzeug, das vom Gehirn verwendet wird, um unsere Bewegungen zu bewerten und anzupassen, in der Hoffnung, dass wir nächstes Mal nicht stolpern oder verschütten trinkt so leicht. Wie das Sprichwort sagt: "Wir lernen aus unseren Fehlern", aber wie verwandelt unser Gehirn die motorischen Fehler, die wir machen, in bedeutungsvolles und zuverlässiges Lernen?

In einer kürzlich erschienenen Veröffentlichung in Neuron haben Forscher aus dem Labor von Dr. Jason Christie, Forschungsgruppenleiter am Max Planck Florida Institut für Neurowissenschaften (MPFI), einen Teil der Antwort auf diese langjährige Frage entdeckt. Dr. Christie's Team hat eine überraschende neue Rolle bei der Hemmung des Kleinhirns aufgedeckt und so das aktuelle Verständnis der neuronalen Berechnung erweitert und grundlegende Einsichten in die Mechanismen und Prinzipien des motorischen Lernens geliefert.

"Lernen ist kein monolithisches Ereignis, das entweder passiert oder nicht", beschreibt Dr. Christie. "Es ist ein viel komplexeres Verhalten, das in Dauer, Größe und Richtung variieren kann. Unsere Ergebnisse zeigen, dass motorisches Lernen im Kleinhirn entlang eines Kontinuums stattfinden kann und was der Schlüssel zu sein scheint, ist der Einfluss einer inhibitorischen Zellklasse namens molekular Schicht Interneuronen. "

Das Kleinhirn spielt eine anatomisch einzigartige Region des Gehirns und spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung der motorischen Kontrolle und Koordination. Trotz seiner relativ kleinen Größe - nur etwa 10% des gesamten Gehirns - beherbergt das Kleinhirn etwa die Hälfte unserer gesamten Neuronen, etwa 50 Milliarden. Während das Cerebellum viele Inputs aus verschiedenen Regionen des Gehirns erhält, integriert und sendet es raffinierte Informationen durch eine einzige Art von spezialisiertem Neuron, die Purkinje-Zelle genannt wird. Diese Zellen erhalten zwei gut charakterisierte exzitatorische Inputs und einen weniger untersuchten inhibitorischen Input, was dazu beiträgt, das motorische Verhalten zu steuern und das Lernen zu erleichtern.

"Tausende exzitatorische Inputs durch parallele Fasern schaffen die Voraussetzungen für die Purkinje-Zellaktivierung, indem sie sensorische und motorische Kontexte für Handlungen liefern", beschreibt Audrey Bonnan, eine Postdoktorandin im Christie Lab und einer der ersten Autoren der Publikation. "Es sind diese Eingänge, die Purkinje-Zellen aktivieren und eine normale Koordination und Bewegung aufrechterhalten. Wenn wir jedoch einen Fehler machen, kommt ein zweiter exzitatorischer Input von einer Kletterfaser gleichzeitig an und liefert ein lehrreiches Signal. Diese neue Information detailliert Motorfehler, schwächt die synaptischen Verbindungen zwischen parallelen Fasern und Purkinje-Zellen, was zu einer Verhaltensänderung führt und letztlich das Lernen ermöglicht. Aber die Funktion der hemmenden Inputs in diesem Prozess war noch weitgehend unbekannt. "

Es wird angenommen, dass diese Veränderung der synaptischen Stärke, die als synaptische Plastizität bekannt ist, das mechanistische Korrelat des Lernens ist. Die Entdeckung, wie inhibitorische Interneuronen die Plastizität beeinflussen, ist der erste Schritt, um Einblicke in ihre Rolle beim motorischen Lernen zu gewinnen. Um diese Frage zu beantworten, führte das Team eine simultane elektrische Stimulation der exzitatorischen Eingänge durch, die Kontexte kodieren, und jene, die Signalisierungsfehler codieren, und simuliert die Ereignisse, die während des Lernens auftreten. Mit Hilfe der Elektrophysiologie zur Aufzeichnung des Outputs der Purkinje-Zelle aktivierten die Forscher dann inhibitorische Interneuronen mittels eines Licht-basierten Ansatzes für die neurale Stimulation (Optogenetik). Dieser Ansatz profitierte von einer Zusammenarbeit mit dem MPFI-Labor in Taniguchi, die eine optogenetische Targetierung von nur molekularen Schicht-Interneuronen ermöglichte.

"Wir haben festgestellt, dass die Hemmung ein ganzes Spektrum von Ergebnissen ermöglicht", bemerkt Dr. Christie. "Purkinje-Zellen zeigten ohne Hemmung die erwartete synaptische Schwächung durch Koaktivierung paralleler Fasern und Kletterfasern. Durch starke Aktivierung von molekularen Schichtneuronen kam es zu einer vollständigen Umkehrung der Plastizität, wo Synapsen unter Zugabe von Inhibition verstärkt wurden. Überraschenderweise mit schwachen Aktivierung dieser Interneuronen schien die Plastizität negiert zu sein, wo überhaupt keine Veränderung stattfand. "

Die Untersuchung führte zu einer ähnlichen Art der Umkehrung des Lernverhaltens. Mit Hilfe der Zweifarb-Optogenetik untersuchten die MPFI-Forscher den Effekt der Aktivierung der molekularen Schicht während des adaptiven vestibulo-okularen Reflexes oder VOR, der durch Bewegung der Augen in die entgegengesetzte Richtung der Kopfbewegung einen stabilen Blick aufrechterhält. Mit dem Training kann das VOR erlernte Anpassung erfahren, bei der die Augenbewegung während des Reflexes zunimmt (Zunahme der Verstärkung). In Übereinstimmung mit den Plastizitätsergebnissen führte eine starke Aktivierung von MLIs zu einer vollständigen Umkehrung des Lernens von VOR, was zu einer dramatisch geringeren Augenbewegung führte (Abnahme des Gewinns). Bei einer schwachen Aktivierung von MLIs trat wenig bis keine Veränderung auf, wobei Tiere mit ungeübten VORs übereinstimmten.

"Die Hemmung scheint die Reichweite, mit der Zellen auf Reize reagieren können, dramatisch zu erweitern", erklärt Dr. Christie. "Anstatt dass das Gehirn nur zwei Optionen hat - lernen oder nicht lernen - kann es eine enorme Variation dazwischen geben. Zum Beispiel, ein wenig zu lernen oder viel zu lernen. Es ist wie Schwarz und Weiß gegenüber Graustufen, wo die Schatten von Grau erlauben eine größere Menge an Verhaltensflexibilität. "

Dr. Christie bemerkt, dass die Arbeit eine enorme Anstrengung zwischen den ersten Autoren Matt Rowan, Ph.D., jetzt ein Assistant Professor an der Emory University war; Audrey Bonnan, Ph. D., und Ke Zhang, ein Doktorand in der Internationalen Max Planck Forschungsschule für Gehirn und Verhalten, und dass ihre überraschenden Ergebnisse eine ganz neue Richtung der Untersuchung für die Zukunft geöffnet haben.