Kleinhirnstudien fordern alte Vorstellungen davon, wie wir denken

Nach Jahrhunderten des Übersehens wird das Kleinhirn anerkannt.

Diese anatomische Darstellung des menschlichen Gehirns aus dem frühen 20. Jahrhundert (von unten) zeigt die linke und rechte Hemisphäre sowohl des Kleinhirns als auch des Großhirns. “Cerebellar” ist das Schwesterwort für “Cerebral” und bedeutet “sich auf das Kleinhirn beziehen”. „Cerebro-Cerebellar“ bezieht sich im Allgemeinen auf die funktionale Konnektivität und das Zusammenspiel zwischen bestimmten Regionen des Cerebrums und Subregionen des Cerebellums.

Quelle: Wikipedia / Public Domain

Bis 1998 hielten die meisten Neurowissenschaftler an der alten Auffassung fest, dass das Kleinhirn (lateinisch für „kleines Gehirn“) nur für motorische Funktionen verantwortlich sei und nichts mit Wahrnehmung zu tun habe. Vor Jeremy Schmahmanns Verlag, der Ende des 20. Jahrhunderts drei aufeinanderfolgende, revolutionäre Artikel veröffentlichte, wurde allgemein angenommen, dass das menschliche Kleinhirn das Timing und die Koordination fein abgestimmter Muskelbewegungen beaufsichtigte, jedoch definitiv nicht daran beteiligt war zerebrales „Denken“ oder kognitive Gedanken.

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Schmahmanns drei wegweisende Artikel über die Rolle des menschlichen Kleinhirns in der Kognition aus den späten 1990er Jahren lauteten: “The Cerebrocerebellar System” (1997), “The Cerebellar Cognitive Affective Syndrome” (1998) und “Dysmetria of Thought: Klinische Folgen der zerebellären Dysfunktion auf Kognition und Affekt ”(1998).

Dank der bahnbrechenden Bemühungen von Schmahmann und anderen Kleinhirnpionieren in den letzten zwei Jahrzehnten wurde die missverständliche “motorische Funktion” des Kleinhirns entlarvt. Die meisten Neurowissenschaftler sind sich heute einig, dass das Kleinhirn neben einem breiten Spektrum an motorischen Funktionen auch an mehreren kognitiven, emotionalen, sozialen und sprachlichen nichtmotorischen Funktionen beteiligt ist. (Weitere Informationen hierzu finden Sie unter „Da Vinci hatte Recht: Das Cerebellum verdient mehr Anerkennung.“)

Die kürzlich erschienene Veröffentlichung von zwei neuen Cerebellum-Studien auf dem neuesten Stand der Technik informiert uns weiterhin über unsere sich ständig weiterentwickelnde Sichtweise des „kleinen Gehirns“ und darüber, wie das gesamte Gehirn zusammenarbeitet, um mit Hilfe von Kortiko-Kleinhirn-Schleifen und Cerebro Gedanken zu erzeugen und das Denken zu koordinieren -kleinäre Netzwerke.

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Das erste neue Papier des Baylor College of Medicine, „Eine Cortico-Cerebellar-Schleife für die Bewegungsplanung“, wurde am 17. Oktober in der Zeitschrift Nature veröffentlicht . Das zweite Papier, das von Forschern der University of Washington in St. Louis unter dem Titel “Räumliche und zeitliche Organisation des individuellen menschlichen Kleinhirns” betitelt wurde, wurde am 25. Oktober in der Zeitschrift Neuron veröffentlicht .

Dieser Blogbeitrag ist in zwei Teile unterteilt, in denen jede dieser Studien vom Oktober 2018 separat untersucht wird.

Erster Teil: „Eine Cortico-Cerebellar-Schleife für die Bewegungsplanung“ von Gao et al.

Kleinhirn (lateinisch für „kleines Gehirn“) in Rot.

Quelle: Datenbank der Biowissenschaften / Wikipedia Commons

Zhenyu Gao et al. haben gezeigt, dass bestimmte Regionen des Kleinhirns im Kurzzeitgedächtnis aktiv sind, auch wenn der Körper nicht in Bewegung ist. Bemerkenswerterweise fanden die Forscher mit einem Mausmodell einen direkten Beweis dafür, dass die Gedächtnisaktivität im frontalen Kortex von der Aktivität im Kleinhirn abhängig zu sein scheint.

Diese Studie wurde von einer internationalen Forschungskooperation durchgeführt, die von dem leitenden Autor Nuo Li und seinem Laborteam am Baylor College of Medicine in Houston, Texas, sowie Neurowissenschaftlern am Janelia Research Campus des Howard Hughes Medical Institute in Ashburn, Virginia, und dem ersten Autor Zhenyu Gao durchgeführt wurde und Kollegen am Erasmus University Medical Center in Rotterdam, Niederlande.

Der wichtigste Aspekt der neuesten Mausmodellstudie aus dem Nuo Li Lab ist, dass sich die Forscher in Zeiten, in denen sich eine Testperson nicht bewegte, auf die neuronale Aktivität im Kleinhirn konzentrieren konnte, jedoch über den nächsten Schritt nachgedacht hatte.

Frontalrinde in Rot.

Quelle: Datenbank der Biowissenschaften / Wikipedia Commons

“Wir wussten, dass der Frontcortex und das Kleinhirn anatomisch miteinander verbunden sind”, sagte Li in einer Stellungnahme. „Wir wussten auch, dass bei Menschen bekannt ist, dass Kleinhirnenschäden Gedächtnis- oder Planungsprobleme verursachen. Wir fanden heraus, dass die Ausgabe des Kleinhirns auf den Frontalkortex zielt und umgekehrt. Wenn wir die Kommunikation zwischen den beiden Bereichen des Gehirns unterbrechen, wird die Gedächtnisaktivität gestört. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Aktivitäten, die ein einzelnes Verhalten koordinieren, von mehreren Regionen des Gehirns koordiniert werden. “

Um diese Entdeckung über die Funktionsweise von Kortiko-Kleinhirn-Schleifen während des motorischen Lernens zu machen, trainierten die Forscher Mäuse in einer Lernaufgabe, bei der sie eine kognitive Entscheidung basierend auf dem Kurzzeitgedächtnis treffen mussten.

Die Autoren schlussfolgern: „Bei Menschen kann ein Kleinhirnschaden Defekte im Planungs- und Arbeitsgedächtnis verursachen. Hier zeigen wir, dass die permanente Darstellung von Informationen im Frontalkortex während der motorischen Planung vom Kleinhirn abhängig ist. Unsere Ergebnisse stützen die Ansicht, dass die permanente neuronale Dynamik während der motorischen Planung durch neuronale Schaltkreise, die sich über mehrere Hirnregionen erstrecken, aufrechterhalten wird und dass Kleinhirnberechnungen über die Online-Motorsteuerung hinausgehen. “

Das Kleinhirn ist ein zentraler Spieler, wenn es um sportliche Leistung und Sport geht. “Es ist bekannt, dass das Kleinhirn unsere Bewegung durch das Lernen aus Fehlern lenkt”, erklärte Li in einer Erklärung. „Wenn wir lernen, einen Basketball zu schießen, haben wir zunächst viele Fehlschüsse. Das Gehirn kann jedoch unsere Aufnahmen korrigieren, indem es unsere Bewegungen basierend auf Fehlern der fehlenden Schüsse anpasst und schließlich genaue Schüsse erzeugt. Es ist bekannt, dass das Kleinhirn für dieses motorische Lernen verantwortlich ist. Es kombiniert Fehler durch die versäumten Bewegungen und die Bewegung, die gemacht wurde, um eine genauere Bewegung zu erzeugen. “

In der nächsten Forschungsphase durch das Team von Li wird getestet, ob das Kleinhirn den gleichen “Trial-and-Error” -Lernprozess verwendet, der beim motorischen Lernen im Sport aktiviert wird, um weitere zerebrale Aktivitäten wie das Schachspiel zu beherrschen.

Zweiter Teil: „Raum- und Zeitorganisation des individuellen menschlichen Kleinhirns“ von Marek et al.

Die Pressemitteilung der School of Medicine der Washington University in St. Louis, die die Veröffentlichung einer neuen Kleinhirnstudie unter der Leitung des Postgraduierten-Forschers Scott Marek ankündigte, trägt einen aufsehenerregenden Titel: „Das Qualitätskontrollzentrum von Mind befindet sich in einem lange ignorierten Gehirnbereich: Cerebellum Checks und korrigiert Gedanken, Bewegung. “

Da ich seit über einem Jahrzehnt (mit begrenztem Erfolg) versucht, das oft übersehene Kleinhirn in den Blickpunkt zu rücken und „Kleinhirn“ zu einem Haushaltswort zu machen, kann ich nicht anders, als mit meinem Kopf zu nicken und „Ja! Das ist genau richtig “, als ich die Anleitung dieser Pressemitteilung las:

„Das Kleinhirn kann keinen Respekt bekommen. Das Kleinhirn, das sich unbequem auf der Unterseite des Gehirns befunden hat und anfangs auf die Kontrolle der Bewegung beschränkt war, wird von Forschern, die höhere Gehirnfunktionen untersuchen, schon lange nachträglich behandelt. Aber Forscher der School of Medicine der Washington University in St. Louis sagen, dass das Übersehen des Kleinhirns ein Fehler ist. Ihre Ergebnisse, die am 25. Oktober in Neuron veröffentlicht wurden , legen nahe, dass das Kleinhirn bei jedem Aspekt höherer Gehirnfunktionen eine Rolle spielt – nicht nur Bewegung, sondern auch Aufmerksamkeit, Denken, Planung und Entscheidungsfindung. “

Für diese Studie haben WUSTL-Forscher im Dosenbach-Labor den zeitlichen Ablauf der Aktivität des menschlichen Gehirns mit Hilfe der funktionellen Konnektivitäts-MRI gemessen und festgestellt, dass Signale von sensorischen Systemen in Zwischennetzwerken der Großhirnrinde verarbeitet werden, bevor sie an das Kleinhirn gesendet werden. Diese Gehirnscans zeigen insbesondere, dass das Kleinhirn eine individualspezifische Netzwerkorganisation enthält, die erheblich variabler ist als in der Großhirnrinde. Wie die Autoren erklären:

Studien über transneuronales Tracing von Spinalen haben gezeigt, dass die lateralen posterioren Regionen des Kleinhirns geschlossene Kreisläufe mit Regionen des vormotorischen, präfrontalen und hinteren Parietalkortex in Makaken bilden (Dum und Strick, 2003; Kelly und Strick, 2003; Strick et al (2009), bietet einen anatomischen Rahmen für eine mutmaßliche Rolle in adaptiven Rückkopplungsmechanismen zur Verhaltensänderung von Bewegungen und kognitiven Prozessen. Daher ist die Charakterisierung des Kleinhirns als eine konservierte motorische Struktur veraltet und ungenau (Buckner 2013; Caligiore et al. 2017; Fiez 1996; Leiner et al. 1989; Schmahmann 2004; Schmahmann et al. 2009) Strick et al., 2009). Obwohl frühere Studien einen anatomischen und funktionalen Rahmen für das Verständnis der Beiträge von Kleinhirn zur Gehirnfunktion lieferten, ist der Grad der individuellen Spezifität in der Funktionsorganisation von Kleinhirn derzeit nicht bekannt. ”

Marek et al. Spekulationen darüber, dass Gehirnsignale als Teil eines Cerebro-Cerebellar-Loops abschließenden Qualitätsprüfungen im Cerebellum unterzogen werden, bevor sie zur Implementierung an den Cerebralkortex zurückgeschickt werden. Die Autoren sagten: “Angesichts der Anwesenheit von Kortiko-Cerebellar-Schleifen und ihrer angeblichen Rolle bei der Fehlersignalisierung und der adaptiven Plastizität waren wir besonders an der zeitlichen Organisation der Infra-Slow-Aktivität (ISA) zwischen dem Kleinhirn und der Großhirnrinde interessiert.”

Mareks Forschung hat eine erstaunliche neue Statistik aufgedeckt: Nur 20 Prozent des Kleinhirns sind ausschließlich den motorischen Funktionen gewidmet. Die restlichen 80 Prozent scheinen von nichtmotorischen Kleinhirnregionen besetzt zu sein, die an der Wahrnehmung höherer Ordnung beteiligt sind. “Die Netzwerke der Exekutivfunktionen sind im Kleinhirn weit überrepräsentiert”, sagte Marek in einer Erklärung. “Unser gesamtes Verständnis des Kleinhirns muss sich von seiner motorischen Kontrolle hin zu einer generellen Kontrolle der höheren Kognition entwickeln.”

“Die größte Überraschung für mich war die Entdeckung, dass 80 Prozent des Kleinhirns dem Schlauen gewidmet sind”, fügte der leitende Autor Nico Dosenbach hinzu. „Jeder dachte, das Kleinhirn handele um Bewegung. Wenn Ihr Kleinhirn beschädigt ist, können Sie sich nicht reibungslos bewegen – Ihre Hand ruckelt herum, wenn Sie versuchen, nach etwas zu greifen. Unsere Forschung legt stark nahe, dass das Kleinhirn ebenso wie die Qualitätsprüfung der Bewegung auch Ihre Gedanken überprüft – sie zu glätten, zu korrigieren, Dinge zu perfektionieren. “

Ein unerwarteter Aspekt dieser Kleinhirnforschung hängt mit der Alkoholempfindlichkeit des Kleinhirns zusammen. Die Forscher spekulieren, dass das schlechte Urteilsvermögen und die mangelnde Impulskontrolle, die auftreten, wenn jemand zu viel Alkohol getrunken hat, möglicherweise im Kleinhirn verwurzelt ist. Jeder weiß, dass der Rausch die körperlichen Bewegungen der Menschen durch unbestimmte Sprache und Unfähigkeit, eine gerade Linie zu gehen, unkompliziert macht. Interessanterweise deuten die neuesten Erkenntnisse von Marek und seinem Team darauf hin, dass die durch Alkoholkonsum befeuerten schlechten Entscheidungen möglicherweise darauf zurückzuführen sind, dass das Kleinhirn seine Fähigkeit verliert, die Qualität der Führungsfunktionen zu überwachen und zu kontrollieren.

“Viele Menschen, die Verbindungen zwischen Gehirnfunktion und Verhalten suchen, ignorieren einfach das Kleinhirn”, sagte Dosenbach in einer Erklärung. „Sie schneiden diese Daten ab und werfen sie weg, weil sie nicht wissen, was sie damit tun sollen. Aber es gibt viermal so viele Neuronen im Kleinhirn wie in der Großhirnrinde. Wenn Sie das Kleinhirn weglassen, haben Sie sich bereits in den Fuß geschossen, bevor Sie angefangen haben. Das Versprechen, das gesamte menschliche Gehirn auf einmal abzubilden, besteht darin, zu verstehen, wie alles zusammenarbeitet. Man kann nicht sehen, wie die gesamte Rennstrecke zusammenarbeitet, wenn man einen großen Teil davon vermisst. “

Die Autoren folgern: “[Unsere] Befunde legen nahe, dass eine domänenspezifische Funktion des Kleinhirns die ultimative Korrektur aller kortikalen motorischen und kognitiven Prozesse sein kann.”

Der nächste Schritt für Marek und das Forschungsteam in Dosenback’s Lab besteht darin, zu untersuchen, wie individuelle Unterschiede in der Kleinhirnstruktur und der funktionellen Konnektivität mit verschiedenen Arten von Intelligenz, Verhalten, Persönlichkeitsmerkmalen und psychiatrischen Erkrankungen zusammenhängen.

Verweise

Scott Marek, Joshua S. Siegel, Evan M. Gordon, Ryan V. Raut, Dillan J. Newbold, Mario Ortega, Timothy O. Laumann, Derek B. Miller, Annie Zheng, Katherine C. Lopez, Jeffrey J. Berg, Rebecca S. Coalson, Annie L. Nguyen, Donna Dierker, Andrew N. Van, Catherine R. Hoyt, Kathleen B. McDermott, Scott A. Norris, Joshua S. Shimony, Abraham Z. Snyder, Steven M. Nelson, Deanna M. Barch, Bradley L. Schlaggar, Marcus E. Raichle, Steven E. Petersen, Deanna J. Greene, Nico UF Dosenbach. “Räumliche und zeitliche Organisation des individuellen menschlichen Kleinhirns.” Neuron (Erstveröffentlichung: 25. Oktober 2018) DOI: 10.1016 / j.neuron.2018.10.010

Zhenyu Gao, Courtney Davis, Alyse M. Thomas, Michael N. Economo, Amada M. Abrego, Karel Svoboda, Chris I. De Zeeuw und Nuo Li. “Eine Cortico-Cerebellar-Schleife für die Bewegungsplanung” (Erstveröffentlichung: 17. Oktober 2018) DOI: 10.1038 / s41586-018-0633-x

Jeremy D. Schmahmann und Deepak N. Pandyat. “Das Cerebrocerebellarsystem.” International Review of Neurobiology (1997) DOI: 10.1016 / S0074-7742 (08) 60346-3

Jeremy D. Schmahmann und Janet C. Sherman. “Das zerebelläre kognitive affektive Syndrom.” Brain: A Journal of Neurology (1998) DOI: 10.1093 / brain / 121.4.561

Jeremy D. Schmahmann. “Dysmetrie des Denkens: Klinische Konsequenzen der zerebellären Dysfunktion auf Kognition und Affekt.” Trends in den kognitiven Wissenschaften (1998) DOI: 10.1016 / S1364-6613 (98) 01218-2