Laut einer neuen Studie passt sich ein uralter Gehirnschaltkreis, der es den Augen ermöglicht, sich reflexartig nach oben zu drehen, wenn sich der Körper neigt, früh im Leben an, während sich das Tier entwickelt.
Die von Forschern der NYU Grossman School of Medicine geleitete Studie konzentriert sich darauf, wie Wirbeltiere, zu denen Menschen und Tiere von primitiven Fischen bis hin zu Säugetieren gehören, ihren Blick stabilisieren, während sie sich bewegen. Dazu nutzen sie einen Gehirnschaltkreis, der jede vom Gleichgewichtssystem (Vestibularsystem) ihrer Ohren erkannte Orientierungsänderung in eine sofortige Gegenbewegung ihrer Augen umwandelt.
Der als Vestibulo-Augen-Reflex bezeichnete Schaltkreis ermöglicht eine stabile Wahrnehmung der Umgebung. Wenn es kaputt ist – ; durch Trauma, Schlaganfall oder genetische Erkrankung –; Eine Person kann das Gefühl haben, dass die Welt bei jeder Bewegung ihres Kopfes oder Körpers hüpft. Bei erwachsenen Wirbeltieren werden dieser und andere Gehirnkreisläufe durch Rückmeldungen der Sinne (Seh- und Gleichgewichtsorgane) reguliert. Überrascht stellten die Autoren der aktuellen Studie fest, dass im Gegensatz dazu sensorische Eingaben für die Reifung des Reflexschaltkreises bei Neugeborenen nicht notwendig waren.
Online veröffentlicht am 2. Januar in der Zeitschrift WissenschaftDie Studie umfasste Experimente an Zebrafischlarven, die über einen ähnlichen Blickstabilisierungsreflex wie Menschen verfügen. Darüber hinaus sind Zebrafische durchsichtig, sodass Forscher buchstäblich die Reifung von Gehirnzellen namens Neuronen beobachteten, um die Veränderungen zu verstehen, die es einem neugeborenen Fisch ermöglichen, seine Augen entsprechend zu drehen, wenn sich sein Körper nach unten neigt (oder seine Augen nach unten neigen, während sich sein Körper nach oben neigt).
„Die Entdeckung, wie Vestibularreflexe ablaufen, kann uns dabei helfen, neue Wege zu finden, Pathologien entgegenzuwirken, die das Gleichgewicht oder die Augenbewegungen beeinträchtigen“, sagt der Hauptautor der Studie, David Schoppik, PhD, außerordentlicher Professor in den Abteilungen für Hals-Nasen-Ohrenheilkunde; Institut für Kopf- und Halschirurgie, Neurowissenschaften und Physiologie und Neurowissenschaften an der NYU Langone Health.
Sekundenschnelle Neigungen
Um die lange gehegte Hypothese zu testen, dass der Reflex durch visuelles Feedback reguliert wird, erfand das Forscherteam ein Gerät, um den Reflex durch Kippen und Überwachen der Augen von Zebrafischen, die seit ihrer Geburt blind waren, auszulösen. Das Team stellte fest, dass die Fähigkeit des Fisches, seine Augen nach dem Kippen gegenläufig zu drehen, mit der Fähigkeit von Larven vergleichbar war, die sehen konnten.
Obwohl frühere Studien gezeigt haben, dass sensorische Eingaben Tieren helfen, sich in ihrer Umgebung richtig zu bewegen, legt die neue Arbeit nahe, dass eine solche Abstimmung des vestibulookulären Reflexes erst dann ins Spiel kommt, wenn der Reflex vollständig ausgereift ist. Bemerkenswerterweise zeigte eine weitere Reihe von Experimenten, dass der Reflexkreislauf während der Entwicklung auch ohne das Eingreifen eines schwerkraftempfindlichen Vestibularorgans namens Utrikel seine Reife erreicht.
Da der Vestibulo-Augen-Reflex ohne sensorische Rückmeldung reifen kann, stellten die Forscher die Hypothese auf, dass der am langsamsten reifende Teil des Gehirnkreislaufs das Tempo für die Reflexentwicklung bestimmen muss. Um den begrenzenden Teil zu finden, maß das Forschungsteam, wie Neuronen während der gesamten Entwicklung reagierten, wenn sie den Körper des Zebrafisches im Bruchteil einer Sekunde neigten.
Die Forscher fanden heraus, dass die zentralen und motorischen Neuronen im Schaltkreis ausgereifte Reaktionen zeigten, bevor sich der Reflex vollständig entwickelt hatte. Daher befindet sich der am langsamsten reifende Teil des Schaltkreises möglicherweise nicht wie lange angenommen im Gehirn, sondern an der neuromuskulären Verbindungsstelle –; der Signalraum zwischen den Motoneuronen und Muskelzellen, die das Auge bewegen. Eine Reihe von Experimenten ergab, dass nur die Geschwindigkeit, mit der die Verbindung reifte, mit der Geschwindigkeit übereinstimmte, mit der die Fische ihre Fähigkeit verbesserten, ihre Augen gegenläufig zu drehen.
Zukünftig wird das Team um Dr. Schoppik Fördermittel erhalten, um die neuen detaillierten Schaltkreise im Kontext menschlicher Störungen zu untersuchen. Aktuelle Arbeiten untersuchen, wie Fehler in der Entwicklung von Motoneuronen und neuromuskulären Verbindungen zu Störungen des Augenmotoriksystems führen, einschließlich einer häufigen Fehlausrichtung der Augen, die als Strabismus (d. h. träges Auge, Schielen) bezeichnet wird.
Direkt vor den Motoneuronen im Vestibulo-Augen-Kreislauf befinden sich die Interneurone, die eingehende Sinnesinformationen formen und das, was die Augen sehen, mit den Gleichgewichtsorganen integrieren. Ein weiteres Stipendium von Dr. Schoppik zielt darauf ab, besser zu verstehen, wie die Funktion dieser Zellen bei der Entwicklung von Gleichgewichtskreisläufen gestört wird, mit dem Ziel, den fünf Prozent der Kinder in den Vereinigten Staaten zu helfen, die mit einem Formgleichgewichtsproblem zu kämpfen haben.
Das Verständnis der Grundprinzipien der Entstehung von Vestibularkreisläufen ist eine Voraussetzung für die Lösung nicht nur von Gleichgewichtsproblemen, sondern auch von Entwicklungsstörungen des Gehirns. »
Paige Leary, PhD., Erstautorin der Studie
Sie war Doktorandin im Labor von Dr. Schoppik, der die Studie leitete, hat die Einrichtung jedoch inzwischen verlassen.
Mit Dr. Zu den Studienautoren Schoppik und Leary aus den Abteilungen für Hals-Nasen-Ohrenheilkunde, Kopf- und Halschirurgie, Neurowissenschaften und Physiologie sowie dem Neuroscience Institute der NYU Langone Health gehörten Céline Bellegarda, Cheryl Quainoo, Dena Goldblatt und Basak Rosti. Die Arbeit wurde von den National Institutes of Health durch die Zuschüsse R01DC017489 und F31DC020910 des National Institute on Deafness and Communication Disorders sowie vom National Institute on Deafness and Communication Disorders Grants F99NS129179 unterstützt. Die National Science Foundation unterstützte die Studie auch durch das Graduate Research Fellowship DGE2041775.
