Beitrag von Margarida Maia, PhD, in „Parkinson’s News Today“, September 12, 2023, übersetzt mit Hilfe von DeepL
Forscher haben eine Karte erstellt, die zeigt, wie die Neuronen im Gehirn des Zebrafisches verdrahtet sind, um die Vorwärtsbewegung anzutreiben und zu steuern – etwas, das Menschen mit der Parkinson-Krankheit Schwierigkeiten bereiten kann.
Wenn die Bewegung beginnt, wird eine Region an der Basis des Gehirns, die so genannte mesenzephale Bewegungsregion (MLR), aktiviert und signalisiert einer Gruppe nahe gelegener Befehlsneuronen, den so genannten V2a reticulospinalen Neuronen.
„Diese Neuronen steuern die Feinheiten der Bewegung, wie Starten, Anhalten und Richtungswechsel“, sagte Dr. Claire Wyart, eine der Co-Autoren der Studie am Pariser Brain Institute in Frankreich, in einer Pressemitteilung. „In gewisser Weise geben sie Steuerungsanweisungen!“
Die Studie wurde zwar an Zebrafischen durchgeführt, aber „motorische Schaltkreise in Wirbeltieren sind konserviert“, schreiben die Forscher, so dass die Karte dazu beitragen kann, zu verstehen, wie diese Schaltkreise bei Parkinson gestört werden können und wie man sie reparieren kann. Die Studie mit dem Titel „The mesencephalic locomotor region recruits V2a reticulospinal neurons to drive forward locomotion in larval zebrafish“ wurde in Nature Neuroscience veröffentlicht.
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Die Fortbewegung, d. h. die Bewegung von einem Ort zum anderen, ist an die Aktivität der retikulospinalen Neuronen im Hirnstamm, einer Region an der Basis des Gehirns, gebunden, die Signale zwischen dem Gehirn und dem Rückenmark weiterleiten.
Als Befehlsneuronen, die wie Druckknöpfe Aktionen steuern, „spielen sie eine entscheidende Rolle beim Starten, Aufrechterhalten und Anhalten der Fortbewegung sowie bei der Anpassung der Körperhaltung und der Steuerung“, schreiben die Forscher.
Das MLR, das sich ebenfalls im Hirnstamm befindet, ist für die Bewegung entscheidend.
„Da die Rolle des MLR bei vielen Wirbeltierarten konserviert ist, gehen wir davon aus, dass es sich um eine uralte Region in ihrer Evolution handelt, die für die Einleitung des Gehens, Laufens, Fliegens oder Schwimmens unerlässlich ist“, sagte Dr. Martin Carbo-Tano, einer der Erstautoren der Studie und Postdoktorand am Paris Brain Institute.
Während die MLR die Fortbewegung durch die Aktivierung retikulospinaler Neuronen fördert, „wussten wir bis jetzt nicht, wie diese Region Informationen an die retikulospinalen Neuronen weiterleitet“, so Carbo-Tano. „Das hat uns daran gehindert, einen Gesamtüberblick über die Mechanismen zu gewinnen, die es den Wirbeln ermöglichen, sich in Bewegung zu setzen, und somit mögliche Anomalien in dieser faszinierenden Maschinerie aufzuzeigen.“
Diese Lücke war vor allem darauf zurückzuführen, dass die Neuronen des Hirnstamms nicht leicht zugänglich sind und es schwierig ist, ihre Aktivität in einem sich bewegenden Tier zu beobachten. Die Verwendung des Zebrafisches, eines in der Forschung häufig verwendeten Tiermodells, machte dies möglich.
Larvale (junge) Zebrafische sind durchsichtig, so dass die Forscher die Verbindungen, über die Signale zwischen den Neuronen während der Fortbewegung weitergeleitet werden, mit Hilfe von fluoreszierenden Markierungen erkennen können.
Im Gehirn des Zebrafisches enthält die mesenzephale Bewegungsregion durchschnittlich 110 Neuronen, von denen fast ein Drittel (30,8 %) beim Schwimmen aktiv wird. Von diesen Neuronen wurden etwa 22 Neuronen mit der Intensität der Sitzung aktiver, sowohl wenn die Zebrafische frei schwammen als auch als Reaktion auf einen visuellen Hinweis.
„Wir haben beobachtet, dass Neuronen in der mesencephalen Bewegungsregion stimuliert werden, wenn sich das Tier spontan bewegt, aber auch als Reaktion auf einen visuellen Reiz“, so Wyart.
Mit Hilfe eines dünnen Drahtes oder einer Elektrode zur direkten Stimulation der MLR konnten die Forscher feststellen, dass unterschiedliche elektrische Frequenzen zu unterschiedlichen Schwimmfrequenzen führten. Außerdem schwammen die Tiere während der gesamten Dauer des Reizes (2 oder 4 Sekunden), während spontane Schwimmzüge „nur einige hundert Millisekunden dauerten“, schreiben die Forscher.
„Vierbeiner können verschiedene Gangarten annehmen, wie Gehen, Traben oder Galoppieren“, sagte Carbo-Tano. „Wir denken, dass die MLR bei dieser Intensivierung der Bewegung, die wir beim Zebrafisch beobachtet haben, eine Rolle spielt“.
Die MLR-Neuronen waren sowohl mit den Zellkörpern als auch mit den Nervenfortsätzen einer Unterpopulation reticulospinaler Neuronen namens V2a verbunden.
Mit Hilfe eines Mikroskops zur Aufzeichnung von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der neuronalen Aktivität sahen die Forscher, dass die stark mit MLR verbundenen retikulospinalen V2a-Neuronen aktiv waren, wenn der Zebrafisch vorwärts schwamm oder steuerte. Die schwächer verbundenen Neuronen kontrollierten, wie lange und wie oft die Vorwärtsbewegung stattfand.
„Unsere Studie identifizierte die MLR im larvalen Zebrafisch und kartierte die nachgeschalteten Befehlskreisläufe, die an der Vorwärtsbewegung beteiligt sind“, schrieben die Forscher und merkten an, dass ihr Ergebnis „einen wesentlichen Schritt für die künftige Erforschung der supraspinalen [oberhalb des Rückenmarks liegenden] motorischen Kontrolle darstellt“.
Margarida MAIA ist Biochemikerin (Universität Porto, Portugal) mit einem Doktortitel in biomedizinischen Wissenschaften (VIB und KULeuven, Belgien). Ihr Hauptinteresse gilt der Wissenschaftskommunikation. Sie interessiert sich auch für Design und den Dialog zwischen Kunst und Wissenschaft.