Warum beschleunigt das schnellere Lernen im Kleinhirn?

Das schnellere Laufen erhöht das Lernen im Kleinhirn über Moosfasern.

Kleinhirn (Latein für “kleines Gehirn” oder “kleines Großhirn”) in rot. Cerebellar ist das Schwesterwort für zerebrale und bedeutet “in Bezug auf oder im Kleinhirn gelegen.”

Quelle: Lifesciences Datenbank / Wikimedia Commons

Laut einer neuen Studie von Forschern im Champalimaud Centre for the Unknown beschleunigen schnellere Laufgeschwindigkeiten des Lauftrainings das assoziative Lernen im Kleinhirn von Mäusen. Diese Arbeit, “Die motorische Aktivität moduliert assoziatives Lernen im Maus-Kleinhirn”, wurde am 16. April in der Zeitschrift Nature Neuroscience veröffentlicht.

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“Das Kleinhirn ist wichtig, um qualifizierte Bewegungen zu lernen. Es kalibriert Bewegungen angesichts einer sich verändernden Umgebung, um sie sehr präzise zu koordinieren “, sagte Hauptautorin Megan Carey in einer Stellungnahme. Carey ist der leitende Forscher und Gruppenleiter des Neurowissenschaftsprogramms am Champalimaud Zentrum für das Unbekannte in Lissabon, Portugal.

Das wichtigste Ergebnis dieser Studie ist, dass die schnelleren Mäuse auf einem Laufband liefen, je schneller und besser ihr Kleinhirn eine assoziative Aufgabe namens “Delay Eyeblink Conditioning” erlernte.

Die Autoren beschreiben die Methode ihrer neuesten Forschung: “Hier untersuchten wir die Auswirkungen des Verhaltenszustandes und speziell der lokomotorischen Aktivität auf die Delay Eye Link Conditioning, eine Kleinhirn-abhängige Form des assoziativen Lernens. In der Delay-Eyeblink-Konditionierung lernen Tiere, ihr Auge als Reaktion auf einen ursprünglich neutralen konditionierten Stimulus (CS) zu schließen, der zuverlässig einen aversiven unkonditionierten Stimulus (US) voraussagt, wie etwa einen Luftstoß für das Auge.

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Um ein besseres Verständnis der zellulären Veränderungen zu erlangen, die das Lernen im Kleinhirn begleiten, entwickelten Carey und seine Kollegen eine konditionierte Lernaufgabe, indem sie Mäusen bei blinkendem Licht, das mit einem Luftstoß gekoppelt war, beim Blinken die Augen blinzelten verschiedene Geschwindigkeiten auf einem Laufband. Eyeblink-Konditionierung ist eine gängige Methode, um die Geschwindigkeit und Wirksamkeit assoziativen Lernens im Kleinhirn zu testen.

Die Mäuse in dieser Studie, die ihre Laufbänder auf eine höhere Geschwindigkeit eingestellt hatten, lernten, den Lichtblitz (der normalerweise nicht zum Blinzeln von Mäusen führt) schneller mit einem Luftstoß in Verbindung zu bringen. Also, selbst wenn es keinen Luftzug gab, der einen Lichtblitz begleiten konnte, blinzelten diese Mäuse automatisch. Auf der anderen Seite dauerte es viel länger, bis die Delay-Eyeblink-Konditionierung in das Kleinhirn von Mäusen kodiert wurde, deren Laufbänder auf langsamere Geschwindigkeiten eingestellt waren.

In einer Stellungnahme fasste Catarina Albergaria, Erstautorin dieser Studie, zusammen: “Unser Hauptergebnis war, dass wir Mäuse besser lernen können, indem wir sie schneller laufen lassen.”

Bemerkenswerterweise haben die Forscher auch herausgefunden, dass die nachfolgende Eyeblink-Performance von höheren Laufgeschwindigkeiten profitiert. “Die Mäuse zeigten weniger gute Leistungen, als wir das Laufband verlangsamten, und dies passierte im Zeitmaßstab von einigen Sekunden”, sagte Albergaria.

Nach der Identifizierung eines kausalen Zusammenhangs zwischen Laufgeschwindigkeiten und assoziativem Lernen im Kleinhirn waren die Forscher neugierig darauf, wo diese Verbesserung innerhalb des “kleinen Gehirns” stattfand.

Für diese Phase ihrer Studie verwendete das Forschungsteam Optogenetik, um bestimmte Neuronen zu stimulieren, die auf das Kleinhirn als “moosige Fasern” projizieren. Innerhalb des Kleinhirns werden sensorische Informationen von moosigen Fasern zu Körnchenzellen in einer Weise übertragen, die eine einzelne moosige Faser erlaubt Axon, um eine große Anzahl von Purkinje-Zellen zu beeinflussen.

Interessanterweise beobachteten die Forscher, als sie die Moosfasern mittels Optogenetik stimulierten, ein verbessertes Lernen auf Augenhöhe mit höheren Laufgeschwindigkeiten. Daher spekulieren die Forscher, dass die Suche nach Möglichkeiten, die Moosfaseraktivität direkt zu stimulieren, beim assoziativen Lernen dieselben Vorteile haben könnte wie das Laufen. “Es muss nicht unbedingt Fortbewegung sein; Alles, was eine Zunahme der Moosfaseraktivität antreibt, könnte eine äquivalente Modulation des Lernens liefern “, sagte Albergaria.

Trotz dieser bahnbrechenden Erkenntnisse über assoziatives Lernen im Kleinhirn weisen die Autoren darauf hin, dass schnellere Laufgeschwindigkeiten nicht unbedingt die Lerngeschwindigkeit in anderen Hirnregionen erhöhen. “Wir wissen nicht, ob das für andere, nicht zerebellare Lernformen gilt”, warnt Albergaria.

Beschleunigen schnellere Laufgeschwindigkeiten das Lernen im menschlichen Kleinhirn?

Quelle: Wikipedia / Public Domain

Alberbaria: “Das Kleinhirn ist eine gut konservierte Struktur über alle Arten hinweg und es gibt artübergreifende Schaltkreise.” Sie spekuliert, dass zukünftige Forschung basierend auf diesen Erkenntnissen helfen könnte, besser zu verstehen, wie Bewegung das assoziative Lernen im menschlichen Kleinhirn beeinflusst.

“Wir neigen dazu, zu denken, dass wir, um die Plastizität des Gehirns zu manipulieren, damit die Menschen schneller lernen und die Lernenden sich langsam verbessern, Drogen nehmen müssen. Aber hier mussten wir nur kontrollieren, wie schnell die Mäuse liefen, um eine Verbesserung zu erzielen. Es wäre interessant zu sehen, ob dies für Menschen gilt, für zerebelläre Lernformen – und sogar für andere Arten des Lernens “, sagte Carey in einer Erklärung.

Die Autoren schlussfolgern: “Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die lokomotorische Aktivität eine verzögerte Augmentationskonditionierung durch verstärkte Aktivierung des Moosfaserweges im Kleinhirn moduliert. Zusammengefasst liefern diese Ergebnisse Hinweise auf eine neue Rolle der Verhaltensmodulation beim assoziativen Lernen und weisen auf einen möglichen Mechanismus hin, durch den Bewegung in die Lernfähigkeit eines Individuums verbessert werden kann. ”

Zukünftige Forschung im Carey Lab wird versuchen, größere Fragen zu beantworten, etwa warum Gehen und andere Arten von Aerobic-Übungen uns helfen, Gedanken zu koordinieren, Ideen zu organisieren und kreative Lösungen zu finden. Anektodische Beweise verbinden auch körperliche Aktivität mit “Aha!” – Momenten. Zum Beispiel sagte Albert Einstein berühmt von E = mc ² , “Ich dachte daran, während ich mit dem Fahrrad fahre.” Entlang dieser Linie hat Manish Saggar von der Stanford University fMRT-Bilder gefunden, die zeigen, dass eine verbesserte Kleinhirn-Konnektivität die kreative Kapazität erhöht.

Die Kleinhirnforschung von Megan Carey in Lissabon passt hervorragend zur Erforschung des Kleinhirns von Jeremy Schmahmann an der Harvard Medical School in Boston. Schmahmanns “Dysmetria of Thought” -Hypothese postuliert, dass das Kleinhirn uns hilft, unsere Gedanken auf die gleiche Weise zu koordinieren, wie es uns hilft, unsere Bewegungen zu koordinieren.

Für mehr sehen Sie “Jeremy Schmahmann entwirrt die Ratlosigkeit unseres Kleinhirns” und MINDlink Foundation: Verbinden des Kleinhirns mit Kuren.

Verweise

Catarina Albergaria, N. Tatiana Silva, Dominique L. Pritchett und Megan R. Carey. “Lokomotorische Aktivität moduliert das assoziative Lernen im Kleinhirn der Maus.” Nature Neuroscience (veröffentlicht am 16. April 2018) DOI: 10.1038 / s41593-018-0129-x

Saggar, Manisch, Eve-Marie Quintin, Nicholas T. Bott, Eliza Kienitz, Yin-hsuan Chien, Daniel WC Hong, Ning Liu, Adam Adams, Grace Hawthorne und Allan L. Reiss. “Veränderungen in der Gehirnaktivierung verbunden mit spontaner Improvisation und figürlicher Kreativität nach Design-Thinking-based Training: eine longitudinale fMRI-Studie.” Hirnrinde (2016) DOI: 10.1093 / cercor / bhw171

Schmahmann, Jeremy D. “Störungen des Kleinhirns: Ataxie, Dysmetrie des Denkens und das zerebelläre kognitiv-affektive Syndrom.” Journal of Neuropsychiatry and Clinical Neurosciences (2004) DOI: 10.1176 / jnp.16.3.367

Jeremy D. Schmahmann und Janet C. Sherman. “Das zerebelläre kognitiv-affektive Syndrom.” Gehirn: Ein Journal für Neurologie (1998) DOI: 10.1093 / brain / 121.4.561

Schmahmann, Jeremy D. “Dysmetria des Denkens: Klinische Folgen der zerebellären Dysfunktion auf Kognition und Affekt.” Trends in Cognitive Sciences (1998) DOI: 10.1016 / S1364-6613 (98) 01218-2