Ihre Augen sind ein Fenster in die inneren Funktionen Ihres Gehirns

Kleinhirn in rot.

Quelle: Biowissenschaftsdatenbank / Wikimedia Commons

Jeden Morgen wache ich auf und hoffe, dass es Neuigkeiten gibt, die uns helfen, die inneren Vorgänge des Kleinhirns besser zu verstehen (lateinisch für "kleines Gehirn"). Das Kleinhirn ist in erster Linie für seine Rolle in allen Arten der sensomotorischen Koordination bekannt und schafft eine fließende Bewegung. Heute zeigt eine neue Studie eines internationalen Forscherteams mehr Hinweise darauf, wie bestimmte Neuronen im Kleinhirn mit unseren Augen als Fenster zum Gehirn in Verbindung stehen.

Ich weiß, dass die Vorfreude auf neue Kleinhirnforschung (" Cerebellar ") ein extrem esoterischer Grund ist, morgens aus dem Bett zu springen … Aber für mich ist die Entschlüsselung der Geheimnisse der Purkinje-Zellen und des Kleinhirns sehr tief persönlich.

Vor seinem plötzlichen Tod im Jahr 2007 hat mein Vater – Neurowissenschaftler, Neurochirurg und Autor von The Fabric of Mind (Viking) – die letzten Jahre seines Lebens damit verbracht, die vielschichtigen und rätselhaften Rätsel des Kleinhirns zu lösen. Er starb, bevor Fortschritte in der bildgebenden Technologie es ihm ermöglichten, seine Träume und Hypothesen zu verwirklichen. Bei seiner Beerdigung machte ich ein Gelübde, dass ich mein Bestes tun würde, um die Leidenschaft meines Vaters für "das kleine Gehirn" im 21. Jahrhundert am Leben zu erhalten.

In den letzten zehn Jahren habe ich meine Antennen für Fortschritte in der Neurowissenschaftstechnologie behalten und versucht, die scheinbar unzusammenhängenden Forschungsergebnisse über das Kleinhirn auf neue und nützliche Weise miteinander zu verbinden.

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Als ich 2005 das Manuskript des Athleten (St. Martin's Press) schrieb , sprach ich jeden Tag mit meinem Vater. Mindestens einmal in der Woche würde mein Vater sagen: "Wir wissen nicht genau, was die Purkinje-Neuronen des Kleinhirns tun. Aber was immer sie tun, sie machen eine Menge davon. "

Purkinje Neuronen sind nach Johannes Purkinje benannt, der diese Neuronen erstmals 1837 identifizierte. Dr. Purkinje war auch der erste Mensch, der die Individualität des menschlichen Fingerabdrucks identifizierte. Er hatte ein Händchen dafür, relativ offensichtliche Dinge aufzudecken, die alle anderen zu übersehen schienen. Purkinje-Zellen sind die größten und charakteristischsten Neuronen im Gehirn. Ihre Dendriten fächern sich wie chinesische Fans auf und sind systematisch so angeordnet, dass sie ausgerichtet sind, aber dafür sorgen, dass sie sich nie berühren. Ein einzelnes Axon projiziert von dem Fan von Dendriten.

Illustration von Purkinje Neuronen (A) von Santiago Ramón y Cajal um 1899.

Quelle: Santiago Ramón y Cajal / Öffentlicher Bereich

Um mehr über die Einsichten zu erfahren, die ich über Purkinje-Zellen durch Gespräche mit meinem Vater gewonnen habe, lies bitte einige kostenlose Auszüge aus The Athlete's Way . Obwohl ich diese Passagen vor über zehn Jahren geschrieben habe, sind die spekulativen Einsichten meines Vaters angesichts der neuesten empirischen neurowissenschaftlichen Ergebnisse, die in den letzten Monaten veröffentlicht wurden, prophetisch korrekt.

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An diesem Morgen war ich begeistert, über eine neue Studie über Purkinje-Neuronen zu lesen, die erklären hilft, warum mein Vater eine Vermutung anstellte, dass diese Kleinhirnzellen unglaublich dynamisch und außergewöhnlich sind. Wie sich herausstellt, können Purkinje-Neuronen im Kleinhirn gleichzeitig diktieren, wann eine fein abgestimmte Muskelbewegung beginnt, pausiert und mit welcher Geschwindigkeit diese koordinierte Bewegung stattfindet.

Der Juli 2016 Bericht "Multiplexed Coding von Kleinhirn Purkinje Neuronen" erscheint in der Zeitschrift eLife . Technisch bedeutet "Multiplex" "ein System oder Signal, das die gleichzeitige Übertragung mehrerer Nachrichten entlang eines einzigen Kommunikationskanals beinhaltet." Diese Forschung legt nahe, dass das singuläre Axon eines Purkinje-Neurons mehrere Nachrichten gleichzeitig senden kann.

Diese Erkenntnisse bieten viele aufregende Hinweise auf das Spektrum der motorischen Kontrolle von Krankheiten wie Parkinson oder Autismus-Spektrum-Störungen (ASD) bis hin zur Bewegungsflexibilität, die mit der Beherrschung eines Musikinstruments oder der Entwicklung des athletischen Könnens einer olympischen Turnerin verbunden ist.

Für diese Studie untersuchte ein Team von Forschern der Universität Okinawa und seiner Mitarbeiter in Deutschland genau, wie die Purkinje-Zellen des Kleinhirns mit schnellen "sakkadischen" Augenbewegungen in Verbindung gebracht wurden.

Im vergangenen Jahr wurde eine bahnbrechende Studie "Encoding of Action durch die Purkinje-Zellen des Kleinhirns" von Forschern der Johns Hopkins University School of Medicine in der Zeitschrift Nature veröffentlicht . Die Forscher berichteten, dass Purkinje-Zellen gemeinsame Komplex-Spike-Eigenschaften aufweisen, die schnelle Augenbewegungen zu kontrollieren scheinen, die als Sakkaden bezeichnet werden.

Quelle: Vladimir Arndt / Shutterstock

Ob Sie es bewusst wahrnehmen oder nicht, Ihre Augen bewegen sich ständig. Ihre Augen bewegen sich schnell und reflexartig von einem Fokuspunkt zu einem anderen Fokus. Während der Sakkaden – selbst wenn Sie nicht aktiv daran denken, Ihre Augen zu bewegen – nimmt das Kleinhirn ständig eine Bestandsaufnahme vor, um zu bestimmen, wohin Sie Ihren Fokus lenken müssen, basierend auf dem, was die wichtigsten Informationen enthält. Fein abgestimmte Sakkaden erlauben uns, Dinge zu tun, wie zum Beispiel den Augenkontakt mit jemandem aufrecht zu erhalten, während Sie sich unterhalten, oder einen Tennisball mit mehr als 100 Meilen pro Stunde auf sich zukommen zu lassen.

Interessanterweise besteht eines der wichtigsten Symptome von Autismus darin, dass es während emotionaler Gespräche schwierig ist, den Blickkontakt aufrecht zu erhalten. Autopsien autistischer Kinder zeigen geschrumpfte Kleinhirne und atrophierte Purkinje-Zellen. Ich schrieb über dieses Phänomen in einem Blogpost von Psychology Today , "Was hemmt den Augenkontakt während emotionaler Gespräche?"

Die Sakkade ist ein perfektes Beispiel für die sensomotorische Koordination des Kleinhirns. Wie wir alle unsere Muskelbewegungen koordinieren, hat weitreichende Auswirkungen auf unsere Interaktion mit der Umwelt und den Menschen um uns herum. Dies gilt insbesondere dann, wenn ein Zustand der Strömung oder Suprafluidität erreicht wird , der dadurch gekennzeichnet ist, dass Bewegungen ohne jegliche Reibung oder Viskosität koordiniert werden.

Die neuesten Erkenntnisse von OIST bekräftigen meine ursprüngliche Hypothese, dass Purkinje-Neuronen eine entscheidende Rolle bei der Erreichung eines Zustandes des Flusses und der Suprafluidität sowohl auf dem Gelände als auch außerhalb des Gerichts spielen. Wie ich auf p. 119 des Athletenweges ,

"Man könnte an tausend Purkinje-Zellendendriten als" empfangendes Gericht "von vielen verschiedenen Orten in Ihrem Körper denken. Das einzelne Purkinje-Zellenaxon könnte als ein auslaufender Draht gesehen werden, der Signale von überall durch eine konsolidierte Pipeline sendet. Die Dendriten von Purkinje-Zellen sind parallel, berühren sich aber nie. Sie oszillieren wie Fischschwänze und drücken Signale über das Axon, aus dem Kleinhirn und hoch in das Großhirn. "

Diese blitzschnelle Verarbeitung in Purkinje-Neuronen des Torwarts im Kleinhirn ermöglicht es ihm, zu einem Fußball zu springen, während er seine Hände ausstreckt und seine Augen mit dem vestibulo-okulären Reflex (VOR) des Kleinhirns auf das Ziel fixiert hält. Im Sport und im Leben überwacht das Kleinhirn Ihr Gleichgewicht, Propriozeption, posturale Kontrolle, Muskelkoordination und Geschwindigkeit der Bewegungen.

Forscher des Okinawa-Instituts für Wissenschaft und Technologie (OIST) haben kürzlich atemberaubende Bilder von Purkinje-Neuronen aufgenommen, die die überraschende Genauigkeit der Illustrationen von Ramón y Cajal vor über einem Jahrhundert zeigen.

Quelle: OIST, mit Erlaubnis verwendet

Die endgültige Ausgabe einer gegebenen Purkinje-Zelle erfolgt über ein einzelnes Axon. Interessanterweise scheinen alle Purkinje-Zellen autonom, aber gleichzeitig unisono zu arbeiten. Diese Neuronen nehmen sensorische Informationen auf einer Kleinhirnebene von jedem Körperteil auf und senden diese Informationen zur Gehirnverarbeitung an das Großhirn.

Die Purkinje-Neuronen arbeiten mit einer Quantengeschwindigkeit. Die Verstärkung von mehr als zweihunderttausend eingehenden Signalen durch ein Axon bietet eine parallele Verarbeitungsmöglichkeit vom Kleinhirn bis in die Großhirnrinde.

Als das OIST-Team ein mathematisches Modell über die durchschnittliche Feuerrate der Purkinje-Neuronenspitzen erstellte, fanden sie, dass eine einfache Beziehung die Beweglichkeit der Bewegung zu Beginn einer Bewegung des Sakkaden-Auges vorhersagen konnte.

Wie alle Neuronen emittieren Purkinje-Zellen Spitzen, die durch elektrische Energie verursacht werden. Purkinje Zellen feuern Spikes die meiste Zeit schnell, aber gelegentlich gibt es Pausen in diesen Spikes. In einer Aussage, Professor Erik De Schutter, Co-Autor und Leiter der OIST Computational Neuroscience Unit, sagte.

"Wir wollen wissen, was diese Stacheln uns tatsächlich erzählen. . . Es gibt eine große Veränderung im lokalen Feldpotential zum Zeitpunkt einer Sakkade. Wir können auch sehen, dass es in der Purkinje-Zelle zu dem Zeitpunkt, zu dem die Augenbewegung beginnt, eine Pause zum Beginn der Pause gibt.

Dies zeigte uns, dass die Spitzen, die die Pausen beginnen, den Beginn einer Bewegung steuern und dass diejenigen, die nicht mit den Pausen zusammenhängen, die Geschwindigkeit der Bewegung steuern. Das bedeutet, dass in den Purkinje-Zellen Multiplexing stattfindet – sie können zwei Signale gleichzeitig senden. "

Dies ist wichtig, da diese Forschungsergebnisse darauf hindeuten, dass sowohl das Timing der einzelnen Spikes als auch die durchschnittliche Feuerrate der Spikes entscheidend für das Verständnis der Komplexität des Kleinhirns und aller Arten fein abgestimmter motorischer Fähigkeiten sind.

Schlussfolgerung: Erreichen von Superfluidität in Sport und Leben auf Purkinje-Neuronen

Quelle: Jiang Dao Hua / Shutterstock

Wenn Sie in den nächsten Wochen in den olympischen Sommerspielen von Elitesportlern Elite-Athleten beobachten, denken Sie daran, dass all ihre fein abgestimmten Muskelbewegungen auf Purkinje-Neuronen im Kleinhirn angewiesen sind. Am anderen Ende des Spektrums kann die atypische Struktur, Funktion und Konnektivität der Purkinje-Zellen es für Menschen mit bestimmten neurologischen Störungen des Kleinhirns schwierig machen, sich im Alltag zu bewegen.

Diese Erkenntnisse über Purkinje-Neuronen sind in der Lage, Experten dabei zu helfen, Interventionen zu entwickeln, die die Leistung eines Athleten oder Künstlers verbessern können, indem sie Fluss und Suprafluidität erzeugen. Diese Forschung könnte auch dazu beitragen, dass Menschen mit einer breiten Palette von Störungen, die in Kleinhirnanomalien verwurzelt sind, ihr tägliches Leben optimieren.

Potenziell könnten die neuesten Erkenntnisse zum Verständnis des Mechanismus der Neuronen im Kleinhirn zu Fortschritten in der Medizintechnik führen – wie zum Beispiel einer Schnittstelle zwischen Gehirnmaschinen -, die es gelähmten Patienten oder Amputierten ermöglichen könnte, die Prothetik durch Feinabstimmung von Gehirnsignalen zu bewegen. Darüber hinaus könnten diese Erkenntnisse nützlich sein, um fortschrittliche künstliche Intelligenz für Roboter zu entwickeln, die eine Feinmotorik erfordern.

Bleiben Sie auf dem Laufenden über Möglichkeiten, wie Spitzenforschung im Kleinhirn auf Sport und Leben angewendet werden kann. Um mehr über Purkinje-Zellen, Augenbewegungen und das Kleinhirn zu lesen, schau dir meine früheren Blogposts von Psychology Today an ,

• "Purkinje-Zellen werden mit einer zustandsabhängigen Anregung zum Leben erweckt"
• "Epigenetischer Mechanismus im Kleinhirn treibt motorisches Lernen an"
• "Die Weißen deiner Augen vermitteln unterbewusste Wahrheiten"
• "Die Neurowissenschaft des Augenkontakts"
• "12 Ways Eye Movements verraten deine Geheimnisse"
• "Wie sind Purkinje-Zellen im Kleinhirn mit Autismus verbunden?"
• "Autismus, Purkinje-Zellen und das Kleinhirn sind miteinander verflochten"
• "Mehr Forschung verbindet Autismus und das Kleinhirn"
• "Idiosynkratische Synchronisation des Gehirns mit Autismus verbunden"
• "Verbesserte Kleinhirnkonnektivität steigert die kreative Kapazität"
• "Das Kleinhirn enthält viele Hinweise für die Erstellung humanoider Roboter"
• "5 Gründe, warum das Kleinhirn der Schlüssel zum Erfolg im digitalen Zeitalter ist"

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