Forscher des Karolinska Institutet haben kartiert, wie verschiedene Nervenzellen im Gehirnbereich Striatum Informationen verarbeiten, um unsere Bewegungen genau zum richtigen Zeitpunkt und mit der richtigen Kraft zu planen und auszuführen. Die in der Fachzeitschrift Cell Reports vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass verschiedene Zelltypen im Striatum Signale von völlig unterschiedlichen Teilen der Großhirnrinde empfangen und somit auf unterschiedliche Arten von Informationen reagieren.
Viele Verh altensweisen treten als Reaktion auf sensorische Eingaben aus unserer Umgebung auf. Wenn wir beispielsweise ein neues Stück auf dem Klavier spielen, passen wir unsere Fingerbewegungen an den Klang an, den wir hören, und an das sensorische Feedback der Tasten. Forscher am Karolinska Institutet in Schweden wollten unser Verständnis dafür erweitern, wie dies funktioniert, indem sie das neuronale Netzwerk untersuchten, das es uns ermöglicht, unsere geplanten Bewegungen an sensorischen Informationen wie Berührungen auszurichten. Die Nervenzellen (Neuronen), die dieser Funktion zugrunde liegen, befinden sich im Striatum, das Teil einer größeren Struktur im Gehirn ist, die als Basalganglien bezeichnet wird.
Beim Klavierspielen wird das sensorische Feedback unserer Fingerspitzen im somatosensorischen Kortex verarbeitet, dem auf Berührungen spezialisierten Gehirnbereich. Bewegungen werden in einem separaten Teil des Gehirns, dem motorischen Kortex, geplant. Informationen aus dem somatosensorischen Kortex, dem motorischen Kortex und anderen Hirnarealen wie dem Thalamus werden an das Striatum gesendet, das die erste Instanz ist, in der Bewegungspläne und sensorische Informationen kombiniert werden. Basierend auf den breiten Informationen, die von diesen Eingaben geliefert werden, ist das Striatum in der Lage, ein zeitlich genau abgestimmtes Ausgangssignal zu erzeugen, das an die Muskeln zurückgesendet wird und es uns ermöglicht, die nächsten Tasten auf dem Klavier korrekt zu drücken.
"Obwohl seit langem bekannt ist, dass das Striatum aus verschiedenen Arten von Nervenzellen besteht, ist unklar, wie Striatumzellen diese komplexe Funktion erfüllen", sagt Yvonne Johansson, Doktorandin am Department of Neuroscience, Karolinska Institutet. "Um diese Frage zu beantworten, haben wir gefragt, welche Zellpopulationen des Striatums welche eingehenden Informationen verarbeiten."
Die Forscher haben unter anderem mithilfe der Optogenetik analysiert, welche von fünf wichtigen Zelltypen im Striatum für die Kommunikation zwischen dem motorischen Kortex, dem somatosensorischen Kortex und dem Thalamus verantwortlich sind.
Studien an Mäusen haben gezeigt, dass striatale mittelstachelige Neuronen stark auf sensorische Eingaben reagieren, die eine Berührungsempfindung darstellen. Eine andere Klasse von striatalen Neuronen, die Spiking-Interneuronen mit niedriger Schwelle, reagieren kaum auf Eingaben, die sensorische Informationen enth alten, werden aber stark durch Eingaben aus dem motorischen Kortex aktiviert. Im Gegensatz dazu reagieren cholinerge Interneurone am stärksten auf thalamische Eingaben, von denen angenommen wird, dass sie uns mitteilen, dass in unserer Umgebung etwas Wichtiges passiert.
Die Forscher fanden auch heraus, dass die Reaktionen der verschiedenen Neuronenklassen durch unterschiedliche Rezeptorzusammensetzungen vermittelt werden. Da sich einige Rezeptoren schneller öffnen als andere, beeinflussen die Rezeptoren stark das Timing der Reaktion.
Die Ergebnisse werfen ein neues Licht darauf, wie das Striatum die riesige Menge an Informationen, die es erhält, systematisch verarbeitet.
"Unsere Arbeit zeigt, dass der Informationsfluss in das striatale Netzwerk hochgradig organisiert ist und dass die Eigenschaften der zahlreichen Inputs, die auf verschiedene striatale Neuronenpopulationen abzielen, pfadspezifisch sind", sagt Gilad Silberberg, Professor an der Abteilung für Neurowissenschaften, Karolinska Institutet.
