Zu viele synaptische Verbindungen im Kleinhirn verursachen Probleme

Quelle: adike / Shutterstock

Eine neue Studie über die Nachteile zu vieler synaptischer Verbindungen im Maus-Kleinhirn durch Neurowissenschaftler an der medizinischen Fakultät der Universität von Washington in St. Louis bestätigt frühere Forschungsergebnisse zu Autismus-Spektrum-Störungen (ASD) und dem Kleinhirn. Die Forscher fanden heraus, dass Mäuse mit Autismus assoziierten Genen, die zu viele Kleinhirnsynapsen hatten, auch große Schwierigkeiten hatten, neue motorische Fähigkeiten zu erlernen. ( Kleinhirn ist das Schwesterwort für zerebrale und bedeutet "in Bezug auf oder im Kleinhirn gelegen.")

Die Wissenschaftler der Washington University spekulieren, dass zu viele synaptische Kleinhirnverbindungen die Kommunikation innerhalb des Kleinhirns stören, was die Ursache für Autismus sein könnte. Diese Ergebnisse wurden am 2. November online in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht .

Für diese Studie konzentrierten sich die Forscher auf ein spezifisches Autismus-assoziiertes Gen namens "Ubiquitin RNF8", das die Anzahl der synaptischen Verbindungen im Kleinhirn reguliert. Junge Mäuse ohne das RNF8-Gen entwickelten zu viele synaptische Verbindungen im Kleinhirn. Im Laufe der Zeit führten die Forscher eine Reihe von Lernexperimenten an diesen Mäusen im Vergleich zu anderen Mäusen mit dem RNF8-Gen durch.

Das Kleinhirn ist verantwortlich für die Feinabstimmung der motorischen Kontrolle und Balance. Bemerkenswerterweise zeigten junge Mäuse mit und ohne das zerebelläre Gen RNF8 keine offensichtlichen Probleme mit ihren regulären Bewegungen: Während sie um ihre Käfige herumhasteten, schienen alle Mäuse koordiniert zu sein.

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In einer überraschenden Entdeckung, als die Forscher speziell die Fähigkeit aller Mäuse untersuchten, neue motorische Fähigkeiten zu erlernen – wie einen Augenblinzeltest oder einen Balanceakt auf einem rollenden Zylinder -, hatten die Mäuse das RNF8-Gen und zu viele synaptische Verbindungen wurden diskombo- bliert und scheiterten kläglich. Auf der anderen Seite haben Mäuse mit dem RNF8-Gen und weniger synaptischen Verbindungen im Kleinhirn diese neuen motorischen Fähigkeiten schnell gemeistert.

In einer Stellungnahme sagte Senior Autor Azad Bonni, Leiter der Abteilung für Neurowissenschaften an der Washington University School of Medicine in St. Louis und Direktor des Bonni Lab, sagte:

"Diese Studie wirft die Möglichkeit auf, dass es im Gehirn von Patienten mit Autismus zu viele Synapsen gibt. Man könnte meinen, dass das Gehirn durch mehr Synapsen besser funktionieren würde, aber das scheint nicht der Fall zu sein. Eine erhöhte Anzahl von Synapsen führt zu Fehlkommunikation zwischen den Neuronen im sich entwickelnden Gehirn, die mit Lernbeeinträchtigungen korrelieren, obwohl wir nicht wissen, wie. "

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Obwohl der kausale Zusammenhang zwischen Kleinhirn und Autismus rätselhaft bleibt, haben zahllose andere Studien an Menschen und Tieren atypische funktionelle Zusammenhänge und strukturelle Anomalien des Kleinhirns mit Autismus in Verbindung gebracht.

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

Quelle: Biowissenschaftsdatenbank / Wikimedia Commons

Bis vor kurzem dachten die meisten medizinischen Experten, dass das Kleinhirn nur mit Feinabstimmung der motorischen Fähigkeiten, der Aufrechterhaltung des Gleichgewichts und des Muskelgedächtnisses verbunden war, das notwendig ist, um Dinge wie Fahrradfahren zu tun. Es gibt jedoch zunehmend Hinweise darauf, dass das Kleinhirn bei der Feinabstimmung unserer Gedanken und Emotionen helfen kann, ähnlich wie es bei der Feinabstimmung unserer motorischen Bewegungen geschieht, wie Jeremy Schmahmann von der Harvard Medical School in seiner Hypothese "Dysmetria of Thought" postuliert.

Der Neuraldarwinismus und das Beschneiden von Synapsen ist der Schlüssel zur Neuroplastizität

Während der frühen Entwicklung des Kindes wird ein Gerüst innerhalb und zwischen verschiedenen Regionen im gesamten Gehirn abgelegt – das schließt sowohl die Hemisphären des Kleinhirns (lateinisch für "kleines Gehirn") als auch die beiden Hemisphären des Großhirns (lateinisch für "Gehirn") ein. Dies schafft eine strukturelle Grundlage für zukünftige neuronale Netzwerke, die entweder durch neuralen Darwinismus beschnitten oder durch einen synaptischen "Feuer und Draht" -Prozess verstärkt werden. Im Idealfall beschneidet das Gehirn überflüssige synaptische Verbindungen, um Unordnung zu reduzieren und die Gehirnfunktion zu rationalisieren, was die Fluidität von Gedanken und Bewegungen optimiert.

Die gängige Annahme, dass eine stärkere Synapsenbefeuerung immer eine bessere Gehirnfunktion impliziert, ist ein Neuromythmus. Tatsächlich scheint, wie bereits erwähnt, das Vorhandensein von zu vielen neuralen Verbindungen und synaptischen Formationen das motorische Lernen zu behindern, während eine verminderte neurale Aktivität beim Erlernen einer neuen Fähigkeit mit einem schnelleren Lernen korreliert.

Zeichnung von Purkinje-Neuronen im Kleinhirn von Santiago Ramón y Cajal um 1899.

Quelle: Santiago Ramón y Cajal / Öffentlicher Bereich

Eine Studie des Medical Centers der University of Chicago hat 2014 ergeben, dass eine Fehlfunktion des Purkinje-Zellenschnitts im Kleinhirn mit einer verminderten Fähigkeit zum motorischen Lernen bei jungen Mäusen korreliert. Unter Verwendung eines Autismus-Mausmodells stellten die Forscher fest, dass die Fähigkeit von Purkinje-Zellen, die synaptische Konnektivität zu senken, bei autismusähnlichen Störungen stark reduziert war. Purkinje-Zellen verstärken oder unterdrücken die Wirksamkeit ihrer Synapsen. Die Hemmung von Purkinje-Zellen ist der Schlüssel zur Beherrschung komplexer feinmotorischer Fähigkeiten wie das Spielen eines Musikinstruments, das Servieren eines Tennisballs, Tippen ohne Tippen auf die Tastatur usw.

Interessanterweise ist die Hyperaktivität von Purkinje-Zellen sowohl bei Mäusen als auch bei Menschen mit einer gestörten synaptischen Beschneidung im Kleinhirn verbunden. Die UChicago-Forscher kamen auch zu dem Schluss, dass zu viel synaptische Konnektivität die Fähigkeit des Kleinhirns behinderte, Muskelbewegungen, die für flüssiges und koordiniertes motorisches Lernen notwendig sind, automatisch fein abzustimmen.

In einer Stellungnahme sagte der Senior Autor der Studie, Christian Hansel, Professor für Neurobiologie an der Universität von Chicago und Gründer des Hansel Labs:

"Wir haben synaptische Anomalien identifiziert, die bei motorischen Problemen, die typischerweise bei Kindern mit Autismus auftreten, eine Rolle spielen können. Autismus wird manchmal als intensives Welt-Syndrom beschrieben – zu viele, zu starke erregende Verbindungen, die zu einem verstärkten sensorischen Input führen. Die Ergebnisse unserer Studie könnten dieses Phänomen beleuchten. Ineffizientes synaptisches Beschneiden scheint ein häufiges Motiv bei Autismus zu sein. "

In einer ähnlichen Studie identifizierten 2015 kognitive Neurowissenschaftler der San Diego State University (SDSU), dass die funktionelle Konnektivität zwischen dem Kleinhirn und dem zerebralen motorischen Kortex bei Kindern und Jugendlichen mit Autismus-Spektrum-Störungen "übermäßig" ist.

Überkonnektivität oder Unterbindung zwischen bestimmten Regionen des Kleinhirns und der Großhirnrinde ist mit Autismus-Spektrum-Störungen bei Kindern und Jugendlichen verbunden.

Quelle: SDSU Marketing und Kommunikation

Die SDSU-Forscher fanden auch heraus, dass eine Überkonnektivität zwischen den sensomotorischen Regionen des Kleinhirns und des Großhirns das Lernen und Erkennen unterbricht. Es scheint, dass die neuralen Kommunikationslinien bei Kindern mit ASS durch sensomotorische Verbindungen monopolisiert werden können, bevor die kognitive funktionelle Konnektivität höherer Ordnung eine Chance hat, mit anderen Kommunikationsnetzwerken im gesamten Gehirn integriert zu werden.

Dies sind aufregende Zeiten für die Kleinhirnforschung. Modernste Technologie hilft Neurowissenschaftlern, die mysteriöse Rolle zu entschlüsseln, die das Kleinhirn für die allgemeine Gehirnfunktion, das motorische Lernen und die Wahrnehmung spielt. Es ist jedoch noch viel mehr Forschung nötig, bevor wir wirklich verstehen, wie synaptische Kleinhirnverbindungen Autismus-Spektrum-Störungen beeinflussen und das Lernen erleichtern. Bitte bleiben Sie dran für mehr aktuelle empirische Forschung am Kleinhirn.