Self-timed movement initiation requires rapid sequential coordination of circuits in prefrontal cortex and cerebellum
Unter Verwendung einer neuartigen, selbstgesteuerten Bewegungsaufgabe bei Mäusen zeigt diese Studie, dass die endogene Bewegungsinitiierung kausal durch die schnelle sequentielle Rekrutierung von Neuronen im präfrontalen Kortex und im lateralen Kleinhirn gesteuert wird.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Stellen Sie sich Ihr Gehirn wie eine geschäftige Stadt vor, in der verschiedene Stadtteile auf unterschiedliche Aufgaben spezialisiert sind. Einige Bereiche sind wie das Rathaus, das große Entscheidungen darüber trifft, was zu tun ist. Andere sind wie die Verkehrsleitstelle, die herausfindet, wann genau man sich bewegen muss. Lange Zeit wussten Wissenschaftler, dass, wenn eine Ampel auf Grün springt (ein externes Signal), eine bestimmte Kette von Ereignissen ausgelöst wird, um die Autos in Bewegung zu setzen. Aber was passiert, wenn es keine Ampel gibt? Was ist, wenn Sie selbst entscheiden müssen, die Straße zu überqueren, bassierend auf einem Bauchgefühl, dass die Luft rein ist? Dies ist das Geheimnis der „selbstgesteuerten“ Bewegung. Es ist der Unterschied zwischen dem Reagieren auf einen Schrei und der Entscheidung, vom Sprungbrett zu springen, wenn man sich bereit fühlt. Das Verständnis dessen ist entscheidend, weil es offenbart, wie unser Gehirn Handlungen aus dem Inneren heraus generiert, anstatt nur auf die Welt um uns herum zu reagieren.
In dieser Studie versuchten Forscher, den Code dieses internen Zeitsystems mithilfe von Mäusen zu knacken. Sie entwickelten ein kniffliges Spiel namens „Omitted Oddball“-Aufgabe. Stellen Sie sich eine Maus vor, die vor einer Reihe von blinkenden grünen Lichtern sitzt, die wie ein Metronom an- und ausgehen. Jedes Mal, wenn das Licht blinkt, erwartet die Maus, dass es so weitergeht. Doch plötzlich wird ein Blinken übersprungen. Dieses fehlende Blinken ist die „Auslassung“ (Omission). Die Maus muss erkennen: „Hey, das Licht hat nicht geblinkt, als es eigentlich sollte!“ und sofort mit dem Augenlid blinzeln, um ihr Auge vor einem Luftstoß zu schützen, der darauf folgt. Der Haken dabei? Die Maus muss genau herausfinden, wann das Licht hätte blinken sollen, obwohl es nicht blinkte. Es ist, als würde man auf eine Textnachricht eines Freundes warten, und wenn diese nicht zum gewohnten Zeitpunkt eintrifft, weiß man, dass etwas nicht stimmt, und ruft sofort an.
Die Wissenschaftler wollten wissen: Welche Teile des Gehirns kommunizieren miteinander, um diese blitzschnelle Entscheidung zu treffen? Sie konzentrierten sich auf zwei Hauptakteure: den präfrontalen Kortex (speziell den dorsomedialen Teil, oder dmPFC), der wie das Exekutivbüro des Gehirns ist, und das Kleinhirn (speziell den Nucleus dentatus), das wie ein präziser Timing-Coach fungiert. Um ihre Theorie zu testen, verwendeten sie eine hochtechnologische „Pause-Taste“ namens Optogenetik. Dies ermöglichte es ihnen, winzige, präzise Lichtimpulse in die Gehirne der Mäuse für nur 35 Millisekunden – etwa das Blinzeln eines Auges – zu schießen, um diese Hirnareale zu verschiedenen Zeitpunkten während des Spiels vorübergehend abzuschalten.
Hier ist das, was sie fanden, und es ist ein bisschen wie ein Staffellauf, bei dem die Übergabe des Staffelstabs unglaublich schnell erfolgt. Als das Licht supposederweise hätte auslassen sollen (die Omission), feuerte der dmPFC zuerst. Er sendete ein internes „LOS!“-Signal. Dieses Signal löste die Bewegung jedoch nicht direkt aus. Stattdessen wanderte es zum Kleinhirn. Das Kleinhirn begann daraufhin eine „Rampe“ der Aktivität, die langsam anstieg, bis sie einen Schwellenwert erreichte und das Blinzeln des Augenlids auslöste.
Die Magie des Experiments lag im Timing der „Pause-Taste“. Wenn die Wissenschaftler den dmPFC genau zum Zeitpunkt des fehlenden Lichts kurz abschalteten, blinzelten die Mäuse nicht nur zu spät, sondern oft gar nicht erst. Es war, als wäre das „LOS!“-Signal blockiert worden, noch bevor es die Startlinie überhaupt verlassen konnte. Wenn sie jedoch das Kleinhere (den Nucleus dentatus) unmittelbar nach der Auslassung abschalteten, blinzelten die Mäuse immer noch, aber sie waren um etwa 70 Millisekunden verzögert. Es war, als wäre das „LOS!“-Signal bereits gesendet worden, aber der Läufer (das Kleinhirn) wäre kurz gestolpert und hätte wieder aufstehen müssen, bevor er die Ziellinie überquerte.
Dies deutet auf einen sehr spezifischen, zweistufigen Tanz für die selbstgesteuerte Bewegung hin. Zuerste erkennt der präfrontale Kortex das fehlende Ereignis und sendet ein kurzes, internes „LOS!“-Signal. Zweitens empfängt das Kleinhirn dieses Signal und wandelt es in einen präzisen motorischen Befehl um. Wenn man den ersten Schritt stoppt, findet die Handlung gar nicht statt. Wenn man den zweiten Schritt stoppt, ist die Handlung lediglich verzögert. Die Forscher schlossen auch die Idee aus, dass die Mäuse einfach nur darauf warteten, dass das Licht ausgeht, und dann reagierten; sie bewiesen, dass die Mäuse tatsächlich die Zukunft vorhersagten und auf das Fehlen eines Signals reagierten.
Wenn Sie also das nächste Mal entscheiden, ein Lied auf Ihrer Gitarre zu beginnen oder ohne Countdown in einen Pool zu springen, denken Sie daran: Ihr Gehirn wartet nicht nur auf ein Signal. Es führt einen winzigen, blitzschnellen Staffellauf zwischen Ihrem Entscheidungszentrum und Ihrem Timing-Zentrum durch und übergibt dabei in einem Bruchteil einer Sekunde einen mentalen Staffelstab, um sicherzustellen, dass Sie sich im perfekten Moment bewegen.
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