Stanford-Wissenschaftler entdecken überraschende Kleinhirnfunktionen

Kleinhirn (lateinisch für "kleines Gehirn") in rot.

Quelle: Biowissenschaftsdatenbank / Wikimedia Commons

In einer zufälligen Entdeckung stolperten Neurowissenschaftler der Stanford University kürzlich über bisher unbekannte kognitive Funktionen des Kleinhirns. In einer Reihe von Mausexperimenten mit modernster bildgebender Verfahrenstechnik fanden die Stanford-Forscher heraus, dass bestimmte Neuronen (Körnerzellen) im Kleinhirn auf erwartete Belohnungen oder deren Fehlen reagieren.

Die neue Studie des Stanford Neuroscience Institute, "Cerebellar Granule Cells Encodade die Erwartung der Belohnung", wurde am 20. März online vor Druck in der Zeitschrift Nature veröffentlicht . ( Kleinhirn ist das Schwesterwort für zerebrale und bedeutet "in Bezug auf oder im Kleinhirn gelegen.")

Leonardo da Vinci fertigte 1504 Wachsabgüsse des menschlichen Gehirns und prägte den Begriff "Cerebellum" (lateinisch für "kleines Gehirn") nach der Identifizierung von zwei kleinen Gehirnhälften, die ordentlich unter den relativ humangen linken Hemisphären des "Großhirns" ( Latein für "Gehirn").

Cerebrum (lateinisch für "Gehirn") in rot.

Quelle: Biowissenschaftsdatenbank / Wikimedia Commons

Seit Jahrhunderten betrachten Neurowissenschaftler das Kleinhirn als Sitz von "nicht-denkenden" Aktivitäten wie die Koordination und Feinabstimmung von Muskelbewegungen.

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Bis vor kurzem wurden beide Hemisphären der Großhirn- und kortikalen Regionen in der "Denkkappe" der Großhirnrinde als die einzige Domäne kognitiver Prozesse angesehen. Dies beginnt sich zu ändern. In den letzten Jahren hat eine breite Palette von Studien gezeigt (zum ersten Mal), dass das Kleinhirn eine mysteriöse, aber signifikante Rolle in vielen kognitiven Funktionen des Gehirns spielt.

Zum Beispiel berichtete ein internationales Forscherteam im Februar 2017, dass das Kleinhirn eine unvorhergesehene Rolle bei Gehirnveränderungen spielen könnte, die mit dem Suchtmittelkonsum von Drogen verbunden sind.

Diese Berichte, die das Kleinhirn und die Drogenabhängigkeit miteinander verbinden, basieren auf einer breiten Palette bahnbrechender Forschungsergebnisse, die in den letzten zwei Jahren veröffentlicht wurden. Diese Kleinhirnbefunde wurden zusammengestellt und in zwei verschiedenen Fachzeitschriften vorgestellt: Neuroscience & Biobehavioral Reviews und Journal of Neuroscience .

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Bei der Beschreibung des Ziels der ersten Überprüfung: "Haben wir den Elefanten im Raum ignoriert? Sieben Argumente für die Betrachtung des Kleinhirns als Teil der Sucht-Schaltkreise ", beschreiben die Wissenschaftler unter der Leitung von Marta Miquel Salgado-Araujo von UJI in Spanien ihre Mission mit den Worten:" Unser Ziel ist nicht, tierische und menschliche Studien erschöpfend zu überprüfen, sondern die Einbeziehung zu unterstützen von zerebellären Veränderungen als Teil der Pathophysiologie der Suchtkrankheit. "

Neue Technologie und eine zufällige Entdeckung, die darauf wartet, zu passieren: Zellen des zerebellären Granulats spielen eine kognitive Rolle in der Belohnungsverarbeitung

Stanford-Forscher haben eine bisher unbekannte kognitive Rolle der Kleinhirnzellen des Kleinhirns (grün) identifiziert.

Quelle: Mit freundlicher Genehmigung von Mark Wagner

Der Bericht von Stanford vom März 2017 über die Verbindung zwischen dem Kleinhirn und der Belohnung für die Belohnung stimmt mit der bereits erwähnten Forschung über das Kleinhirn als Teil der Abhängigkeits-Schaltkreise überein. Die neue Stanford-Forschung fördert auch unser Verständnis der mysteriösen neuronalen Kraft in den 60 Milliarden Granulozyten unseres Gehirns. ( Obwohl das Kleinhirn nur 10 Prozent des Hirnvolumens ausmacht, beherbergt es bis zu 80 Prozent der gesamten Neuronen im Gehirn, von denen die meisten Körnerzellen sind. )

Einer der bemerkenswertesten Aspekte der neuen Stanford-Studie ist, dass die Forscher zufällig über ihre potenziell weltbewegende Entdeckung stolperten, dass Körnerzellen auf erwartete Belohnungen reagieren und lernen. In gewisser Weise verleiht die Tatsache, dass die Forscher kein Experiment mit der Absicht, eine Hypothese zu beweisen, entworfen wurde, dieser ursprünglichen Entdeckung eine zusätzliche Glaubwürdigkeit.

Mark Wagner, ein Postdoc in Stanford, leitete diese Forschung mit Tony Kim, einem Doktoranden im Labor von Mark Schnitzer, außerordentlicher Professor für Biologie und angewandte Physik.

Schnitzer hat das Talent, einzigartige Methoden zur Erfassung der Gehirnaktivität in Fruchtfliegen, Mäusen und anderen lebenden Tieren zu entwickeln. Eine proprietäre Methode, die Schnitzer kürzlich entwickelt hat, heißt " Two-Photon Calcium Imaging " und bot die endliche Auflösung, die Wagner zur Untersuchung von mikroskopisch kleinen Körnerzellen benötigte, während Mäuse in Bewegung waren.

Da Granulumzellen so dicht im Cerebellum gepackt sind, funktionieren herkömmliche Techniken zur Aufzeichnung der Granulumzellenaktivität nicht sehr gut, was Neurowissenschaftlern bisher ein unvollständiges Bild dessen hinterlassen hat, was das Kleinhirn tatsächlich tut.

Diese Neuronenzahlen des Kleinhirns und der Großhirnrinde basieren auf Untersuchungen von Lent, R., et al., 2012.

Quelle: Mit freundlicher Genehmigung von Larry Vandervert

Mein verstorbener Vater, Richard Bergland, war ein Neurowissenschaftler des 20. Jahrhunderts, Neurochirurg und Autor von The Fabric of Mind (Viking). Er war fasziniert von der überproportionalen Verteilung von Neuronen im Kleinhirn. Allerdings wurde mein Vater durch die technologischen Grenzen seiner Generation frustriert, die es ihm unmöglich machten, seine "fundierten Vermutungen" über das, was das Kleinhirn in seinem Labor machte, empirisch zu beweisen.

Wie eine kaputte Platte würde er sagen: " Wir wissen nicht genau, was das Kleinhirn tut. Aber was auch immer es tut, es macht eine Menge davon. "Wenn mein Vater heute leben würde, wäre er überglücklich, zu sehen, dass die von Schnitzer entwickelte revolutionäre Zweiphotonen-Kalzium-Bildgebungsmethode den Neurowissenschaftlern Stanford endlich erlaubt, die Aktivität der Körnerzellen in Echtzeit zu betrachten.

Als Wagner seine Forschung mit der Zweiphotonen-Calcium-Bildgebung begann, war er einfach daran interessiert, Körnerzellen in Echtzeit als Teil der motorischen Grundfunktionen des Kleinhirns zu überwachen und aufzuzeichnen.

Um die motorische Kontrolle zu studieren, mussten Wagner und sein Team ihre Labormäuse motivieren, sich überhaupt zu bewegen. Also konditionierten sie ein belohnungssuchendes Verhalten, das nach dem Drücken eines Spenderhebels eine Dosis Zuckerwasser erhielt. Während die Maus den Hebel drückte und eine Belohnung erhielt, zeichneten Wagner und sein Team die Zellaktivität im Kleinhirn der Maus auf.

Wagner hatte nur erwartet, dass die Aktivität der Körnerzellen mit der Planung und Ausführung körperlicher Bewegungen zusammenhängt. Aber in einem Eureka! In diesem Moment beobachtete Wagner, dass nur einige Körnerzellen abgefeuert wurden, als die Maus den Hebel zur Belohnung drückte. Überraschenderweise schossen andere Körnerzellen, wenn eine Maus auf ihre zuckerhaltige Belohnung wartete. Und noch eine weitere Untergruppe von Granulazellen, die abgefeuert wurden, als Wagner die erhofften Pawlowschen Belohnungen heimlich wegnahm. Die Wissenschaftler schreiben im Nature Abstract ihrer Studie:

"Das Aufspüren der gleichen Körnerzellen über mehrere Tage des Lernens zeigte, dass Zellen mit belohnungs-antizipierenden Antworten aus denen hervorgingen, die zu Beginn des Lernens auf die Belohnung reagierten, während Belohnungs-Auslassung-Reaktionen mit fortschreitendem Lernen stärker wurden. Die Entdeckung prädiktiver, nicht-sensomotorischer Kodierung in Granulazellen ist eine wichtige Abkehr vom aktuellen Verständnis dieser Neuronen und bereichert die Kontextinformationen, die postsynaptischen Purkinje-Zellen zur Verfügung stehen, deutlich mit wichtigen Implikationen für die kognitive Verarbeitung im Kleinhirn. "

In einer Stellungnahme zu Stanford sagte Co-Autorin Liquin Luo: "Es war eigentlich eine Nebenbeobachtung, die, wow, sie reagieren tatsächlich auf Belohnung." Wagner fügte hinzu, "wir wussten es einfach nicht", weil historisch die Annahme war Körnerzellen führen nur die grundlegendsten motorischen Funktionen aus, und niemand hatte die Werkzeuge, Kornzellen in Aktion genau zu betrachten.

In der Zukunft sind Wagner und seine Kollegen von Stanford optimistisch, dass diese Entdeckung zu etwas viel Größerem führen könnte. Abschließend sagte Wagner,

"Angesichts der Tatsache, dass sich ein großer Teil der Neuronen im Kleinhirn befindet, gab es relativ wenig Fortschritte bei der Integration des Kleinhirns in das größere Bild davon, wie das Gehirn Aufgaben löst, und ein großer Teil dieser Trennung war diese Annahme, die das Kleinhirn haben kann nur an motorischen Aufgaben beteiligt sein. Ich hoffe, dass wir damit Studien mit populäreren Hirnregionen wie der Großhirnrinde vereinheitlichen können, und wir können sie zusammenfügen. "

Bleiben Sie auf dem neuesten Stand der Forschung über Körnerzellen und das Kleinhirn. Wenn Sie in der Zwischenzeit meine früheren Blogposts von Psychology Today über das Kleinhirn lesen möchten, klicken Sie auf diesen Link.