Signale, die vom Gehirn an Motoneuronen weitergeleitet werden, ermöglichen Muskelbewegungen, aber diese Signale passieren im Allgemeinen die Interneurone der Wirbelsäule, bevor sie ihr Ziel erreichen. Wie das Gehirn und diese sehr vielfältige Gruppe von „Schaltzentralen“-Zellen miteinander verbunden sind, ist kaum bekannt. Um dieses Problem anzugehen, haben Wissenschaftler am St. Jude Children’s Research Hospital einen Gesamthirnatlas erstellt, der Regionen des Gehirns visualisiert, die direkte Eingaben an V1-Interneuronen senden, eine Gruppe von Zellen, die für die Bewegung notwendig sind. Der daraus resultierende Atlas und die dazugehörige interaktive dreidimensionale Website bieten einen Rahmen für ein besseres Verständnis der anatomischen Landschaft des Nervensystems und der Art und Weise, wie das Gehirn mit dem Rückenmark kommuniziert. Die Ergebnisse wurden heute in veröffentlicht Neuron.
Wir wissen seit Jahrzehnten, dass das motorische System ein verteiltes Netzwerk ist, das Endergebnis jedoch über das Rückenmark verläuft. Es gibt Motoneuronen, die Muskelkontraktionen bewirken, aber Motoneuronen agieren nicht isoliert. Ihre Aktivität wird durch molekular und funktionell unterschiedliche Netzwerke von Interneuronen geformt. »
Jay Bikoff, Ph.D., Korrespondierender Autor, St. Jude-Abteilung für Entwicklungsneurobiologie
Das Netzwerk entwirren, das das Gehirn mit der Motorik verbindet
Obwohl enorme Fortschritte beim Verständnis der Beziehung zwischen verschiedenen Gehirnregionen und verschiedenen Facetten der motorischen Kontrolle erzielt wurden, stellt die genaue Art und Weise, wie diese Regionen mit bestimmten Neuronen im Rückenmark verbunden sind, einen blinden Fleck in diesem Bereich dar. Interneurone sind schwer zu untersuchen, vor allem weil es Hunderte verschiedener und gemischter Varianten gibt.
„Es ist, als würde man eine Kugel aus Weihnachtslichtern entwirren, nur dass es schwieriger ist, wenn man bedenkt, dass das, was wir zu entwirren versuchen, das Ergebnis von über drei Milliarden Jahren Evolution ist“, sagte Co-Premiere-Autor Anand Kulkarni, PhD.
Jüngste Fortschritte haben die Existenz molekular und entwicklungsbedingt unterschiedlicher Interneuron-Unterklassen gezeigt, über deren Rolle in der neuronalen Kommunikation ist jedoch noch vieles unbekannt. „Die Definition der zellulären Ziele absteigender Bewegungssysteme ist von grundlegender Bedeutung für das Verständnis der neuronalen Steuerung von Bewegung und Verhalten“, sagte Bikoff. „Wir müssen wissen, wie das Gehirn diese Signale kommuniziert. »
Um die Schaltkreise zu analysieren, die das Gehirn mit dem Rückenmark verbinden, verwendeten die Forscher eine genetisch veränderte Version des Tollwutvirus, der ein Schlüsselprotein, das Glykoprotein, auf seiner Oberfläche fehlt. Dadurch wurde die Fähigkeit des Virus, sich zwischen Neuronen auszubreiten, gehemmt.
Dadurch wurde das Virus im Wesentlichen an seinem Ursprung blockiert. Durch die Wiedereinführung dieses Glykoproteins in eine bestimmte Population von Interneuronen könnte das Virus einen einzigen Sprung über die Synapsen machen, bevor es steckenbleibt. Die Forscher verwendeten eine fluoreszierende Markierung, um das Virus zu verfolgen. Indem die Forscher verfolgten, wo das Virus landet, konnten sie identifizieren, welche Regionen des Gehirns mit diesen Interneuronen verbunden waren.
Mit der 3D-Karte können Forscher Zusammenhänge visualisieren
Die Forscher wandten diesen Ansatz auf eine Klasse von Interneuronen namens V1-Interneuronen an, von denen zuvor gezeigt wurde, dass sie eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung der motorischen Leistung spielen. Diese Arbeit ermöglichte es ihnen, den Ursprung der von diesen Interneuronen empfangenen vielfältigen Signale bis zum Gehirn genau zurückzuverfolgen.
„Wir zielen nur auf V1-Interneuronen ab, aber das ist tatsächlich eine sehr heterogene Gruppe von Neuronen. Also dachten wir: ‚Lasst uns so viele V1-Neuronen wie möglich ansprechen und sehen, was auf sie wirkt‘“, sagte Bikoff.
Um diese Neuronen sichtbar zu machen und einen dreidimensionalen Referenzatlas zu erstellen, wandten sich die Forscher der Zwei-Photonen-Serientomographie zu. Diese Technik rekonstruiert das Gehirn, indem sie Hunderte Mikrometer dicke Schnitte erstellt, um fluoreszierend markierte Neuronen freizulegen. Der Atlas ermöglichte es den Forschern, präzise Vorhersagen über das Netzwerk zu treffen, das verschiedene Gehirnstrukturen mit dem Rückenmark und den Interneuronen verbindet, mit denen sie interagieren.
Die Identifizierung der Beziehung dieser Strukturen zum Rückenmark ermöglicht es den Forschern, die neuronalen Schaltkreise, die die Bewegung steuern, eingehender zu untersuchen, und der begleitende Webatlas stellt sicher, dass die Daten für jedermann frei zugänglich sind. „Wir verstehen, was einige der identifizierten Gehirnregionen aus Verhaltensperspektive tun“, erklärte Bikoff, „aber wir können jetzt Hypothesen darüber aufstellen, wie diese Effekte vermittelt werden und welche Rolle V1-Interneuronen spielen könnten.“ Dies wird für das Fachgebiet als Engine zur Hypothesengenerierung sehr nützlich sein.
Autoren und Finanzierung
Die Erstautoren der Studie sind Phillip Chapman und Anand Kulkarni, St. Jude. Weitere Studienautoren sind Alexandra Trevisan, Katie Han, Jennifer Hinton, Paulina Deltuvaite, Mary Patton, Lindsay Schwarz und Stanislav Zakharenko, St. Jude; Lief Fenno, University of Texas in Austin; und Charu Ramakrishnan und Karl Deisseroth, Stanford University.
Die Studie wurde durch einen Zuschuss der National Institutes of Health (R01NS123116) und ALSAC, der Fundraising- und Sensibilisierungsorganisation von St. Jude’s, finanziert.
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