Automatic orofacial behaviors remap within cortical substrates for voluntary motor control in freely moving primates
Diese Studie zeigt auf, dass bei frei beweglichen Makaken kortikale Schaltkreise, die typischerweise mit willkürlicher motorischer Kontrolle assoziiert sind, aktiv rekrutiert werden, um automatische orofaziale Verhaltensweisen wie Gähnen zu modulieren und zu formen, was einen gemeinsamen neuronalen Substrat offenbart, in dem unterschiedliche Populationsdynamiken sowohl automatische als auch willkürliche Gesichtshandlungen steuern.
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
Seit Jahrhunderten ziehen Wissenschaftler eine scharfe Trennlinie zwischen zwei Arten der Bewegung. Auf der einen Seite stehen die automatischen, instinktiven Handlungen, die scheinbar ohne bewussten Gedanken geschehen, wie ein plötzliches Gähnen oder ein Anfall von Wut, der den Kiefer anspannt. Diese werden oft als tief im Gehirn verankert angesehen, in uralten Schaltkreisen, die unabhängig von unserem bewussten Willen funktionieren. Auf der anderen Seite stehen die willkürlichen Handlungen, wie das bewusste Trinken eines Schluckes Wasser oder das Reinbeißen in einen Apfel, die darauf angewiesen sind, dass die äußeren Schichten des Gehirns präzise Befehle planen und ausführen. Die lang gehegte Ansicht war, dass diese beiden Systeme auf getrennten Spuren liefen: Das tiefe Gehirn steuerte die Reflexe, während der äußere Kortex die Entscheidungen übernahm. Doch diese Trennung lässt ein Rätsel offen. Wenn ein Affe automatisch gähnen kann, warum kann er dann auch entscheiden, seine Zähne beim Gähnen zu verstecken oder das Gähnen mit einem bestimmten Laut zu kombinieren? Dies deutet darauf hin, dass das bewusste Gehirn in der Lage sein könnte, nach unten zu greifen und diese automatischen Muster zu modifizieren, doch niemand wusste, wie diese Verbindung funktionierte oder wo sie stattfand.
Ein Forschungsteam setzte sich zum Ziel, dieses Rätsel zu lösen, indem es das Gehirn eines Affen beobachtete, während dieser sich frei bewegte. Sie konzentrierten sich auf die ventralen motorischen und prämotorischen Kortexareale, jene Bereiche der Hirnoberfläche, die für die Steuerung von Bewegungen verantwortlich sind. Anstatt die Tiere in einem Laborsessel festzuhalten, was das natürliche Verhalten einschränkt, statteten die Wissenschaftler zwei Makaken drahtlose Aufzeichnungsgeräte aus. Diese Geräte ermöglichten es, die elektrische Aktivität von 640 verschiedenen Stellen im Gehirn zu überwachen, während die Affen in ihren Käfigen und einem speziellen Beobachtungsraum umherstreiften. Die Forscher beobachteten vier spezifische Verhaltensweisen: Gähnen und Drohgebärden, die weitgehend automatisch ablaufen, sowie Beißen und Trinken, welche willkürlich sind. Sie wollten sehen, ob dieselben Gehirnzellen, die dem Affen halfen, Saft zu trinken, auch feuerten, wenn er gähnte, und falls ja, wie sie ihr Verhalten änderten.
Die Ergebnisse zeigten eine überraschende Ebene der Überschneidung. Wenn die Affen gähnten, fanden die Forscher, dass 169 spezifische Stellen im Gehirn ein deutliches Muster elektrischer Aktivität zeigten, bestehend aus einer Beruhigung eines Frequenzbandes, gefolgt von einem Anstieg eines anderen. Entscheidender war, dass sie 401 einzelne Nervenzellen isolierten und feststellten, dass 95 von ihnen beim Gähnen feuerten. Dies waren keine zufälligen Zellen; es handelte sich überwiegend um mittelgroße Pyramidenzellen, jene Art, die dafür bekannt ist, Signale an Muskeln zu senden. Entscheidend war, dass dieselben Zellen auch aktiv waren, wenn der Affe willkürlich biss oder trank. Das bedeutet, dass das Gehirn kein separates, spezialisiertes Team von Zellen für das Gähnen verwendete. Stattdessen rekrutierte es genau dieselben Zellen, die es auch für willkürliche Handlungen nutzte.
Die Art und Weise, wie sich diese Zellen verhielten, änderte sich jedoch je nach Handlung. Wenn ein Affe gähnte, feuerten die Zellen, die normalerweise dazu dienten, den Mund beim willkürlichen Beißen zu schließen, manchmal, um den Mund beim Gähnen zu öffnen, und drückten damit effektiv gegen das automatische Muster. Andere Zellen feuerten synchron mit der automatischen Bewegung und verstärkten diese. Dies deutet darauf hin, dass das Gehirn das automatische Gähnen nicht nur beobachtet, das Gähnen geschehen zu lassen, sondern es aktiv formt, indem es willkürliche Signale nutzt, um die automatische Bewegung entweder zu beschleunigen, zu verlangsamen oder ihre Form zu verändern. Die Forscher bestätigten diesen kausalen Zusammenhang, indem sie diese spezifischen Hirnstellen mit winzigen elektrischen Strömen sanft stimulierten. Als sie die Stellen stimulierten, die beim Gähnen feuerten, bewegten sich Mund und Gesicht des Affen, was bewies, dass diese Zellen die Kraft haben, die Muskeln direkt zu steuern.
Im Gegensatz dazu unterschied sich die Reaktion des Gehirns auf Drohgebärden. Obwohl einige Zellen auch während einer Drohgebärde feuerten, waren es weitaus weniger als bei denjenigen, die am Gähnen beteiligt waren. Zudem behielten diese Zellen ihre ursprüngliche Aufgabe bei: Wenn eine Zelle beim willkürlichen Beißen feuerten, um den Mund zu öffnen, tat sie dies auch beim Öffnen des Mundes während einer Drohgebärde. Sie wechselten nicht die Rollen und konterkarierten die Bewegung nicht. Dies deutet darauf hin, dass das Gehirn zwar das Gähnen flexibel umgestalten kann, die schnelle, automatische Drohgebärde jedoch weitgehend unberührt lässt, vielleicht weil sie zu schnell abläuft, um durch bewusste Gedanken modifiziert zu werden.
Die Studie untersuchte auch das große Ganze, wie diese Gehirnzellen als Gruppe zusammenarbeiten. Durch die Kartierung der Aktivität aller Zellen gleichzeitig sahen die Forscher, dass willkürliche Handlungen wie Beißen und Trinken langen, deutlichen Pfaden im Aktivitätsraum des Gehirns folgten. Automatische Handlungen wie Gähnen und Drohgebärden folgten kürzeren, engeren Pfaden, die nah beieinander lagen, aber dennoch deutlich von den willkürlichen Handlungen verschieden waren. Selbst obwohl die automatischen Verhaltensweisen eine kleinere, gemeinsame Gruppe von Zellen nutzten, konnte das Gehirn sie immer noch voneinander und von den willkürlichen Handlungen unterscheiden. Dies bedeutet, dass das Gebrain über ein flexibles System verfügt, in dem es dieselben Werkzeuge aus seinem Werkzeugkasten nehmen kann, um verschiedene Dinge zu bauen. Es kann die Zentren der willkürlichen Kontrolle nutzen, um ein automatisches Gähnen sanft zu steuern, was es dem Tier ermöglicht, einen tief verwurzelten Instinkt an die aktuelle soziale Situation anzupassen, während die distinkte Identität jedes Verhaltens gewahrt bleibt.
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