Neurowissenschaftler entschlüsseln das Geheimnis schneller Augenbewegungen

Quelle: Leonardo da Vinci / Öffentlicher Bereich

Im Jahre 1504 fertigte Leonardo da Vinci Wachsabgüsse des Gehirns und prägte den Begriff "Kleinhirn", lateinisch für "kleines Gehirn". Eine bahnbrechende Studie, die heute veröffentlicht wurde, berichtet, dass Purkinje-Zellen im Kleinhirn für die Kontrolle der genauen Ausführung des schnellen Auges verantwortlich sind Bewegungen. Zufälligerweise malte da Vinci auch die Mona Lisa , die weltberühmt dafür ist, dass sie herumschwirrende Augen hat, die den Zuschauern rund um den Louvre folgen.

Mein Vater, Richard M. Bergland, war Neurochirurg, Neurowissenschaftler, Nationalspieler und Autor von The Fabric of Mind (Viking). Mein Vater war besessen von Purkinje-Zellen und dem Kleinhirn. Er hat diese Obsession an mich weitergegeben.

Im Jahr 2007 starb mein Vater unerwartet an einem Herzinfarkt und seine Suche nach einer Art "heiliger Gral" in den Neurowissenschaften war unvollständig. Ich habe bei seiner Beerdigung ein Gelübde abgelegt, dass ich die Fackel aufheben und versuchen würde, Antworten auf seine Hypothesen über Purkinje-Zellen und das Kleinhirn zu finden. Jeden Morgen wache ich auf in der Hoffnung, dass es neue Forschungen geben wird, die dabei helfen, die Geheimnisse des Kleinhirns zu entschlüsseln. Es erübrigt sich zu erwähnen, dass ich begeistert war, über die neue Studie zu Augenbewegungen und Purkinje-Zellen zu lesen, die heute morgen veröffentlicht wurde.

Purkinje-Zellen im Kleinhirn steuern schnelle Augenbewegungen

Purkinje-Zellenillustration durch Ramón y Cajal.

Quelle: Ramón y Cajal / Öffentlicher Bereich

Die im Oktober 2015 veröffentlichte Studie "Encoding of Action durch die Purkinje-Zellen des Kleinhirns" wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht . Die Forscher fanden heraus, dass die kombinierte neuronale Aktivität von zwei scheinbar gegensätzlichen Purkinje-Zellen im Kleinhirn des Gehirns die Kontrolle über schnelle Augenbewegungen, sogenannte Sakkaden, zu steuern scheint.

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In einer Zusammenfassung der Ergebnisse beschreiben die Herausgeber diese Studie wie folgt: "Die Purkinje-Zellen sind inhibitorische Neuronen im Kleinhirn, die eine zentrale Rolle bei der Koordination der motorischen Funktion des Körpers spielen. Es wurde lange angenommen, dass sie Sakkaden der Augenbewegungen kodieren, aber wie dies erreicht wird, war nicht bekannt.

Aufzeichnung von Purkinje-Zellen in Affen, David Herzfeld et al. stellen fest, dass die kombinierten Simple-Spike-Reaktionen von Purkinje-Zellen, aber nicht jeder Population allein, die Geschwindigkeit der Sakkade in Echtzeit vorhersagten. Außerdem, wenn Purkinje-Zellen nach ihrem Komplex-Spike-Feld organisiert wurden, codierten die Populationsreaktionen sowohl die Geschwindigkeit als auch die Richtung über ein Verstärkungsfeld. "

Purkinje-Zellen sind nach Johannes Purkinje benannt, der diese Neuronen erstmals 1837 identifizierte. Dr. Purkinje war auch der erste, der die Individualität des menschlichen Fingerabdrucks identifizierte. Purkinje-Zellen sind unter anderem für die Kommunikation sensomotorischer Informationen vom Kleinhirn zur Großhirnrinde verantwortlich.

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Das Kleinhirn ist ein Urkraftwerk

Das Kleinhirn (rot) ist nur 10% des Hirnvolumens, beherbergt aber über 50% der gesamten Neuronen des Gehirns.

Quelle: Wikimedia / Biowissenschaftsdatenbank

Das Kleinhirn ist eine unserer ältesten Gehirnregionen. Aus einer evolutionären Perspektive war die Fähigkeit, sich auf ein Ziel zu konzentrieren und den Blick als Jäger zu fokussieren, notwendig, um Beute zu töten. Das Kleinhirn ist eine primitive und intuitive Gehirnregion, auf die wir uns verlassen haben, um sich bewegende Beute mit einem Pfeil und Bogen oder einem Speer zu zielen.

Über Jahrtausende haben sich beide Hemisphären des Kleinhirns so entwickelt, dass sie nahtlos mit beiden Hemisphären des Großhirns zusammenarbeiten, um eine maximale menschliche Leistungsfähigkeit zu erreichen. Aus sportlicher Sicht ermöglicht das Kleinhirn, gleichzeitig zu laufen und gleichzeitig die Augen auf ein bewegliches Ziel zu fixieren. Das Kleinhirn ist der primäre Gehirnbereich, der für die Hand-Augen-Koordination verwendet wird, wenn man einen Baseball fängt, einen Tennisball schlägt, einen Hockey-Puck schießt usw.

Diagramm des vestibulo-okulären Reflexes (VOR)

Quelle: Wikimedia / Creative Commons

Wenn Sie die Richtung Ihres Blickes verschieben, werden Ihre Kopf- und Augenbewegungen automatisch über den vestibulo-okularen Reflex (VOR) koordiniert, der ein Teil des vestibulären Systems ist, das mit dem Kleinhirn verbunden ist. Das VOR ist eine Reflex-Augenbewegung, die bei Kopfbewegungen Bilder auf der Netzhaut stabilisiert, indem automatisch eine Augenbewegung in die entgegengesetzte Richtung der Kopfbewegung erzeugt wird.

Mein Vater sagte oft: "Davon bin ich mir absolut sicher, ein Neurochirurg zu werden war eine direkte Folge meines Auges für den Ball." Als mein Vater davon sprach, ein "Auge für den Ball" zu haben, bezog er sich auf sein VOR-System.

Der vestibulo-okulare Reflex muss sehr schnell arbeiten, um eine klare Sicht und Fokussierung zu gewährleisten. Kopfbewegungen müssen fast sofort kompensiert werden – andernfalls würde Ihre Vision wie ein Video aussehen, das mit einer zittrigen Hand oder in Bewegung aufgenommen wurde. Hypothetisch würden Abnormalitäten des VOR die Welt zu einem sehr desorientierenden Ort machen, wie es bei Menschen mit Autismus-Spektrum-Störung der Fall sein könnte.

Wie diese jüngste Studie zeigt, hängt die Ausführung genauer Augenbewegungen entscheidend vom Kleinhirn ab. Die kombinierte neuronale Aktivität von zwei scheinbar gegensätzlichen Purkinje-Zellen im Kleinhirn des Gehirns wurde kürzlich von David Herzfeld et al. Als Kontrolle der ruckartigen Augenbewegungen, die als Sakkaden bei Affen bekannt sind, gefunden.

Was ist eine "Saccade"?

Quelle: Afrika Studios / Shutterstock

Eine Sakkade ist eine schnelle, gleichzeitige Bewegung beider Augen zwischen zwei Fixationsphasen in der gleichen Richtung. Wenn visuelle Information von der Retina empfangen wird, wird sie in räumliche Information übersetzt und dann zu motorischen Zentren für geeignete motorische Reaktionen übertragen.

Wir verlassen uns auf die Genauigkeit der sakkadischen Augenbewegungen in jeder Millisekunde unseres Lebens. Während normaler Alltagsbedingungen machen Sie etwa 3-5 Sakkaden pro Sekunde, was etwa einer halben Million Sakkaden pro Tag entspricht.

Jemand mit sakkadischen Dysmetrien erzeugt unkontrollierbare Augenbewegungen, einschließlich Mikrosakkaden, Augenflattern und Rechteckwellen, selbst wenn das Auge in Ruhe ist. Als Ursache für Dysmetrien werden Läsionen im Kleinhirn oder Läsionen in den propriozeptiven Nerven angesehen, die zum Kleinhirn führen. Ihr Kleinhirn ist verantwortlich für die Koordination von visuellen, räumlichen und anderen sensorischen Informationen mit motorischer Kontrolle.

Was ist die Verbindung zwischen Purkinje-Zellen, Augenbewegungen und Autismus?

Quelle: Petr Novak / Wikimedia Commons

In jüngster Zeit gab es eine starke Forschungswelle, die Purkinje-Zellen, das Kleinhirn und Autismus-Spektrum-Störungen (ASD) miteinander verbindet. Die jüngsten Ergebnisse von Herzfeld et al. Tragen zu einer wachsenden Zahl von Beweisen bei, die Anomalien von Purkinje-Zellen mit Autismus korrelieren können. Obwohl die jüngste Studie von Herzfeld nicht spezifisch auf Autismus Bezug nimmt, unterstützen die neuesten Erkenntnisse über die Rolle von Purkinje-Zellen bei der Kontrolle der Augenbewegungen frühere Forschungen, die die Augenbewegungen, das Kleinhirn und den Autismus verbinden.

Bei Autismus-Spektrum-Störungen zeigt das Gehirn durchweg Defekte in Purkinje-Zellen, die ein einzelnes Axon haben, das aus dem Kleinhirn herausragt und Konnektivität vom Kleinhirn zu den meisten anderen Gehirnregionen schafft. Frühere Untersuchungen haben eine zerebelläre Dysfunktion bei Menschen mit ASS durch postmortale Studien von Hirnproben, die einen Verlust des Purkinje-Zellvolumens zeigten, festgestellt. In den letzten Jahren haben eine Vielzahl von Studien dieses Phänomen in den meisten autistischen Gehirnen bestätigt.

Eine Studie von 2013, die in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde , fand heraus, dass der Augenkontakt in der frühen Kindheit das früheste Anzeichen für ASD sein könnte. Babys konzentrieren sich typischerweise in den ersten Stunden ihres Lebens auf menschliche Gesichter. Kinder mit Autismus zeigen jedoch kein Interesse am Augenkontakt, was das Lesen von Gesichtern erschwert. Zu lernen, wie man unbewusst soziale Signale aufgreift, indem man auf die Augen einer anderen Person achtet, ist der Schlüssel zur sozialen Konnektivität.

Eine andere Studie vom August 2013 fand heraus, dass atypische visuelle Orientierung bei 7-Monate alten Kindern ein Risiko für Autismus sein könnte. Die Studie mit dem Titel "White Matter Microstructure und Atypical Visual Orienting in 7-Monats-Olds mit einem Risiko für Autismus" wurde im American Journal of Psychiatry veröffentlicht . Weiße Substanz im Corpus Callosum verbindet die linke und rechte Hemisphäre Ihres Großhirns.

Im Jahr 2014 berichteten Forscher, dass das Weiße unserer Augen wichtige soziale Signale übermittelt, die sowohl auf bewusster als auch auf unbewusster Ebene für unsere Bindung und unser Überleben entscheidend sind. Die Studie "Unbewusste Diskriminierung sozialer Signale durch Augenweibchen bei Säuglingen" wurde im Online-Journal Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlicht . Die Forscher der Universität von Virginia und des Max-Planck-Instituts fanden heraus, dass die Fähigkeit, auf Augenreize zu reagieren, typischerweise im Säuglingsalter im Alter von etwa sieben Monaten beginnt.

In einer weiteren Studie vom März 2013 hat ein Forscherteam das Gen Tsc2 in Purkinje-Zellen des Kleinhirns untersucht und herausgefunden, dass ein Verlust von Tsc2 in Purkinje-Zellen zu autistisch-ähnlichen Verhaltensdefiziten führt. Die Forscher liefern überzeugende Beweise dafür, dass Purkinje-Zellverlust im Kleinhirn und / oder Dysfunktion ein wichtiges Bindeglied zwischen ASD sowie ein "allgemeines anatomisches Phänomen, das zum ASD-Phänotyp beiträgt", so die Forscher.

Im August 2014 berichteten Samuel Wang und seine Kollegen von der Princeton University, dass frühe Störungen des Kleinhirns die neurale Entwicklung behindern und eine mögliche Ursache für Autismus sein könnten. Im August 2014 veröffentlichten sie ihre Theorie "Das Kleinhirn, sensible Perioden und Autismus" in der Zeitschrift Neuron .

Sam Wang, außerordentlicher Professor für Molekularbiologie an der Princeton University, beschäftigt sich mit faszinierender Forschung zur Informationsverarbeitung im Kleinhirn, einschließlich seiner Beiträge zum motorischen Lernen, der Rolle des Kleinhirns bei der kognitiven und affektiven Funktion und der Autismus-Spektrum-Störung.

Schlussfolgerung: Das Kleinhirn kann im 21. Jahrhundert im Mittelpunkt stehen

Mein Vater sagte oft: "Wir wissen nicht genau, was das Kleinhirn tut. Aber was auch immer es tut, es tut eine Menge davon. "Mein Vater wäre begeistert, die wachsenden neuen Beweise zu sehen, die helfen, alles zu erklären, was das mächtige und geheimnisvolle Kleinhirn tatsächlich tut.

Purkinje-Zellen und das Kleinhirn bleiben rätselhaft. Das heißt, Neurowissenschaftler machen mit Hilfe der Technologie des 21. Jahrhunderts stetige Fortschritte, um das "kleine Gehirn" besser zu verstehen, das Leonardo da Vinci vor über fünfhundert Jahren erstmals identifiziert hat. Wir haben noch einen langen Weg vor uns, bis wir diese Mysterien vollständig entschlüsselt haben, daher ist mehr Forschung nötig.

Bleiben Sie auf dem The Athete's Way informiert über die neuesten Forschungsergebnisse zu den Kleinhirn- und Purkinje-Zellen. Wenn du mehr zu diesem Thema lesen möchtest, schau dir meine früheren Blog-Einträge von Psychology Today an :

• "Purkinje-Zellen werden mit einer zustandsabhängigen Anregung zum Leben erweckt"
• "Die Weißen deiner Augen vermitteln unterbewusste Wahrheiten"
• "Die Neurowissenschaft des Augenkontakts"
• "12 Ways Eye Movements verraten deine Geheimnisse"
• "Wie funktioniert die Praxis Hardwire Long-Term Muscle Memory?"
• "Hand-Auge-Koordination verbessert kognitive und soziale Fähigkeiten"
• "Achtung, fertig, los! Wie bereitet sich das Gehirn auf Bewegungen vor? "
• "Wie kann das Träumen zielorientierte Ergebnisse verbessern?"
• "Autismus, Purkinje-Zellen und das Kleinhirn sind miteinander verflochten"
• "Wie sind Purkinje-Zellen im Kleinhirn mit Autismus verbunden?"
• "Idiosynkratische Synchronisation des Gehirns mit Autismus verbunden"
• "Warum tanzt so gut für dein Gehirn?"
• "Bewegung zu einer mentalen Probe zu bringen verbessert die Leistung"

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