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Ruben Portugues
Max Planck Research Group Leader
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Originalveröffentlichung

1.
Knogler, L. D., Markov, D. A., Dragomir, E. I., Štih, V., & Portugues, R.
Sensorimotor Representations in Cerebellar Granule Cells in Larval Zebrafish Are Dense, Spatially Organized, and Non-temporally Patterned

Live aus dem Kleinhirn

Neurobiologen zeigen, wie das Wirbeltiergehirn sensorische und motorische Informationen kodiert

20. April 2017

Um in einer sich ständig verändernden Umwelt zu überleben, muss das Gehirn Informationen der Sinnesorgane mit Informationen zur eigenen Körperbewegung kombinieren können. Motorisch komplexe Verhalten wie Laufen oder Radfahren wären kaum möglich ohne sensorisches Feedback zum Bodenkontakt der Füße oder zur eigenen Bewegung in Vergleich zur Umwelt. Wo die verschiedenen sensorischen und motorischen Informationen im Wirbeltier-Kleinhirn abgebildet werden, untersuchen Wissenschaftler des Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried am Modell des Zebrafisches. Die Untersuchungen zeigen, dass das Kleinhirn - ein großer und wichtiger Teil auch des menschlichen Gehirns – wahrscheinlich anders arbeitet als lange angenommen.

Alle Wirbeltiere haben ein Kleinhirn. Die Bedeutung dieses Hirnbereichs zeigt sich nicht zuletzt dadurch, dass Kleinhirn-Körnerzellen mehr als die Hälfte aller Nervenzellen im Wirbeltiergehirn ausmachen. Zu den Aufgaben des Kleinhirns gehören die Koordination von Bewegungen, das Erlernen und die Feinabstimmung von Bewegungsabläufen, das Kalibrieren der Reflexe und möglicherweise auch höhere kognitive Prozesse wie Emotionen. Obwohl seine Bedeutung für all diese Bereiche und auch die Anatomie und Verbindungen des Kleinhirns bekannt sind, ist seine Arbeitsweise in vieler Hinsicht immer noch unklar. So gibt es nur Theorien dazu, wie eingehende Informationen der verschiedenen Quellen im Kleinhirn von den Körnerzellen organisiert und integriert werden.

Das Kleinhirn mit seinem stereotypen, dreilagigen Aufbau, findet sich bei Fischen genauso wie bei Säugetieren. Im Gehirn der Zebrafischlarve (grau) senden die Körnerzellen (grün) parallele Fasern in die Molekularschicht, wo sie die Dendriten der Purkinjezellen (magenta) kontaktieren. Nervenzellen der unteren Olive (rot) liefern ebenfalls Informationen an die Purkinjezellen. Maßstab = 100 Mikrometer; der Kopf des Fisches zeigt zum oberen Bildrand. Bild vergrößern
Das Kleinhirn mit seinem stereotypen, dreilagigen Aufbau, findet sich bei Fischen genauso wie bei Säugetieren. Im Gehirn der Zebrafischlarve (grau) senden die Körnerzellen (grün) parallele Fasern in die Molekularschicht, wo sie die Dendriten der Purkinjezellen (magenta) kontaktieren. Nervenzellen der unteren Olive (rot) liefern ebenfalls Informationen an die Purkinjezellen. Maßstab = 100 Mikrometer; der Kopf des Fisches zeigt zum oberen Bildrand. [weniger]

Körnerzellen bilden die Input-Schicht des Kleinhirns und sollen Informationen über externe Reize, aktuelle Körperposition und momentane Bewegungen übermitteln. Obwohl Körnerzellen die häufigsten Zellen im Wirbeltiergehirn sind, gestaltet sich das Aufzeichnen der Zellaktivität jedoch als äußerst schwierig. Dies liegt daran, dass bereits ein kleines Säugetiergehirn wie das der Maus viele hunderttausend Körnerzellen besitzt, die über einen recht großen Hirnbereich verteilt sind. So kann die Aktivität immer nur von einem Teil der Zellen zeitgleich in einem Tier erfasst werden.

Im Fachjournal Current Biology berichten Laura Knogler und ihre Kollegen aus der Forschungsgruppe von Ruben Portugues am Max-Planck-Institut für Neurobiologie nun von ihren Ergebnissen zur Kleinhirnaktivität in den kleinen und durchsichtigen Zebrafischlarven. Mit der Wahl dieses Tiermodells war es den Wissenschaftlern erstmals möglich die Aktivität aller Körnerzellen in einem wachen, sich verhaltenden Wirbeltier zu untersuchen. "Der große Vorteil beim Zebrafisch ist, dass sein Gehirn weniger als einen Quadratmillimeter groß ist und uns fluoreszierende Proteine durch ihr Aufleuchten zeigen können, welche Nervenzellen aktiv sind", erklärt Laura Knogler. Die Ergebnisse der Studie fasst sie wie folgt zusammen: "Wir waren überrascht, dass mit fast 50 Prozent sehr viele Körnerzellen des Kleinhirns bereits auf einen einzelnen, einfachen Stimulus reagierten – und einige Nervenzellen nur dann aktiv waren, wenn der Fisch schwamm."

Das Kleinhirn des Zebrafisches zeigt ganz verschiedene Aktivitätsmuster auf unterschiedliche sensorische Reize. Die Axone der Körnerzellen, die auf verschiedene visuelle und taktile Reize reagieren, sind im Bild in Rot, Blau und Geld dargestellt. Bild vergrößern
Das Kleinhirn des Zebrafisches zeigt ganz verschiedene Aktivitätsmuster auf unterschiedliche sensorische Reize. Die Axone der Körnerzellen, die auf verschiedene visuelle und taktile Reize reagieren, sind im Bild in Rot, Blau und Geld dargestellt. [weniger]

Ruben Portugues, der Leiter der Forschungsgruppe, erklärt, warum diese Ergebnisse so unerwartet waren: "Seit den frühen 1970er Jahren gingen Wissenschaftler davon aus, dass einzelne sensorische Reize nur sehr wenige Körnerzellen aktivieren. Das können wir nicht bestätigen." Der Neurobiologe erklärt weiter, dass es noch viel zu lernen gibt darüber, wie Körnerzellen sensorische Reize und Bewegungen kodieren: "Zusammen mit den Erkenntnissen einiger kürzlich veröffentlichter Studien zeigen unsere Ergebnisse, dass wir unser geglaubtes Wissen über die Funktion des Kleinhirns noch einmal gründlich überdenken müssen."

Obwohl das Verhaltensspektrum von Zebrafischlarven im Vergleich zu manch anderen Wirbeltier-Ordnungen eher begrenzt ist, ist die dem Verhalten zugrundeliegende Kleinhirn-Struktur bei allen vergleichbar. Die Zebrafischlarve, mit ihrem kleineren Gehirn und den verfügbaren experimentellen Methoden ist daher ein ideales Modell um grundlegende Funktionen und Arbeitsweisen des Wirbeltier-Kleinhirns zu verstehen. Als nächsten Schritt auf diesem Weg wollen die Wissenschaftler der Portugues-Gruppe untersuchen, wie Körnerzellen dem Zebrafisch helfen, Bewegungen in Echtzeit zu koordinieren. Hierfür entwickeln die Forscher gerade Experimente mit virtueller Realität, in denen sich die Umgebung abhängig von den Bewegungen der Fische verändern kann.

[RP/SM]

 
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