Zusammenfassung: Den Forschern gelang ein Durchbruch beim Verständnis, wie Stabheuschrecken ihre Beinmuskeln beim Gehen steuern, und stellten damit frühere Annahmen über die Aktivierung von Motoneuronen in Frage. Ihre Studie zeigt, dass Neuronen, die den Depressormuskel im Bein einer Stabheuschrecke aktivieren, im Gegensatz zu anderen Beinmuskeln eine einzigartige rhythmische Erregung erfahren.
Diese Entdeckung unterstreicht die Rolle zentraler Mustergeneratoren (CPGs) bei der Erzeugung rhythmischer Bewegungen und legt nahe, dass ihr Einfluss auf Motoneuronen für jeden Neuronenpool spezifisch ist. Diese Forschung erweitert nicht nur unser Verständnis der Fortbewegung von Tieren, sondern unterstreicht auch die Komplexität neuronaler Netze bei der Koordination von Gehbewegungen.
Wichtige Fakten:
- Die Studie ergab, dass die Motoneuronen des Depressormuskels bei Stabheuschrecken rhythmisch erregt werden, was im Gegensatz zum Aktivierungsmuster anderer Beinmuskeln steht.
- Es wurde gezeigt, dass zentrale Mustergeneratoren (CPGs) verschiedene Motoneuronenpools gezielt aktivieren und damit die Theorie des einheitlichen Einflusses widerlegen.
- Diese Forschung erweitert unser Wissen über die neuronalen Grundlagen der Fortbewegung und weist auf präzise Kontrollmechanismen zur Einleitung und Stabilisierung von Gehphasen hin.
Quelle: Universität zu Köln
In einer neuen Studie haben Wissenschaftler der Universität zu Köln neue Erkenntnisse über den Mechanismus der rhythmischen Aktivierung von Nervenzellen (Neuronen) bei Stabheuschrecken gewonnen, die beim Gehen die Beinmuskulatur steuern.
Die Forscher zeigten, dass die Neuronen, die den Depressormuskel im Bein aktivieren, im Gegensatz zu denen der anderen Beinmuskeln rhythmisch erregt werden. Bisher ging man davon aus, dass alle diese sogenannten Motoneuronen auf die gleiche Weise durch zentrale neuronale Netze aktiviert werden.
Die Studie wurde unter dem Titel „The synaptic Drive of central Pattern-Generating Networks to Leg Moto Neurons of a Walking Insect is Moto Neuron Pool Specific“ in der Fachzeitschrift veröffentlicht Aktuelle Biologie.
Das UoC-Forschungsteam untersucht die neuronalen Grundlagen der Bewegungserzeugung bei Tieren, insbesondere jene, die Bewegungsaktivitäten wie dem Gehen zugrunde liegen.
Zu diesem Zweck analysiert das Team um Professor Dr. Ansgar Büschges unter anderem Insekten, da die Anforderungen an das Nervensystem hinsichtlich der Erzeugung und Steuerung von Gehbewegungen im gesamten Tierreich sehr ähnlich sind.
Bei vielen Tieren gibt es beispielsweise Netzwerke im Zentralnervensystem, die die Grundlage für die Generierung rhythmischer Aktivitätsmuster für viele Bewegungsformen bilden, sei es für rhythmische Bewegungsaktivitäten wie Laufen, Schwimmen, Krabbeln und Fliegen oder für vegetative Funktionen wie zum Beispiel das Atmen.
Diese hochspezialisierten Netzwerke werden als zentrale Mustergeneratoren (CPGs) bezeichnet. Sie erzeugen die rhythmische motorische Aktivität der Muskeln für die Bewegung im Zusammenspiel mit Informationen von Sinnesorganen, Neuronen, die Propriozeptoren genannt werden; Propriozeptoren melden Bewegungen und informieren das Zentralnervensystem. Beim Gehen befinden sie sich an und in den Beinen des Insekts.
Die Netzwerke tun dies, indem sie die sogenannten Motoneuronen aktivieren, die die Muskeln innervieren. Bisher ging man davon aus, dass solche CPGs auf alle Motoneuronen, auf die sie abzielen, den gleichen Einfluss haben.
In ihrer neuen Studie widerlegten Angelina Ruthe, Dr. Charalampos Mantziaris und Professor Büschges diese Annahme über die Bewegungsaktivität von Insekten.
In ihren Experimenten aktivierten die Wissenschaftler die CPGs im Zentralnervensystem der Stabheuschrecke pharmakologisch Carausius morosus und untersuchte deren Einfluss auf die Motoneuronen, die seine Beinmuskulatur innervieren.
Sie fanden heraus, dass alle Motoneuronengruppen der Beinmuskulatur bis auf eine den gleichen Antrieb von den Netzwerken erhalten: rhythmische Hemmsignale von den CPGs.
Nur die Motoneuronen, die den Depressormuskel des Beins innervieren, werden durch den phasischen Erregungsantrieb gesteuert. Interessanterweise ist der Beinsenkermuskel genau der Muskel des Insekts, der für die Beinhaltung in jeder Gehsituation verantwortlich ist – unabhängig davon, ob das Tier horizontal auf- oder abläuft, an der Decke oder auf einem Ast.
„Die rhythmische Anregung und damit die gezielte Aktivierung dieses Motoneuronenpools durch die CPGs könnte dazu dienen, den genauen Zeitpunkt der Kontraktion des Depressormuskels und damit den Beginn der Standphase und deren Stabilisierung sicherzustellen“, erklärt Professor Büschges.
Finanzierung: Die Studie wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.
Über diese Neuigkeiten aus der neurowissenschaftlichen Forschung
Autor: Eva Schissler
Quelle: Universität zu Köln
Kontakt: Eva Schissler – Universität zu Köln
Bild: Das Bild stammt von Neuroscience News
Ursprüngliche Forschung: Offener Zugang.
„Der synaptische Antrieb zentraler mustergenerierender Netzwerke zu den Motoneuronen der Beine eines wandelnden Insekts ist spezifisch für den Motoneuronenpool“ von Ansgar Büschges et al. Aktuelle Biologie
Abstrakt
Der synaptische Antrieb zentraler mustererzeugender Netzwerke zu den Motoneuronen der Beine eines laufenden Insekts ist spezifisch für den Motoneuronenpool
Höhepunkte
- Der synaptische Antrieb von CPG-Netzwerken zu Motoneuronen der Beine ist poolspezifisch
- Protraktor-, Retraktor- und Levator-Motoneuronen erhalten einen phasischen Hemmungsantrieb
- Ausschließlich depressorische Motoneuronen erhalten einen phasischen Erregungsantrieb
Zusammenfassung
Rhythmische Bewegungsaktivität wie Fliegen, Schwimmen oder Gehen resultiert aus einem Zusammenspiel zwischen Zentren höherer Ordnung im Zentralnervensystem, die aufgabenspezifische motorische Aktivität initiieren, aufrechterhalten und modifizieren, nachgeschaltete zentrale Muster erzeugende neuronale Schaltkreise (CPGs). ), die eine standardmäßige rhythmische motorische Leistung und schließlich Feedback von Sinnesorganen erzeugen kann, die die grundlegende motorische Aktivität in Richtung Funktionalität modifizieren.
In diesem Zusammenhang sorgen CPGs für einen phasischen synaptischen Antrieb von Motoneuronen (MNs) und unterstützen dadurch die Erzeugung rhythmischer Aktivität für die Fortbewegung.
Wir analysierten den synaptischen Antrieb, den die Bein-MNs, die die drei Hauptbeingelenke versorgen, von CPGs in pharmakologisch aktivierten und deafferentierten Präparaten der Stabheuschrecke erhalten (Carausius morosus). Wir zeigen, dass prämotorische CPGs die tonische Aktivität von fünf der sechs Bein-MN-Pools durch phasischen inhibitorischen synaptischen Antrieb steuern.
Dies sind die antagonistischen MN-Pools, die das Thorakokoxalgelenk und das Femur-Tibia-Gelenk versorgen, und der Levator-MN-Pool, der das Coxa-Trochanteral-Gelenk (CTr) versorgt. Im Gegensatz dazu wurde festgestellt, dass die rhythmische Aktivität des Depressor-MN-Pools, der das CTr-Gelenk versorgt, hauptsächlich auf einem phasischen Erregungsantrieb beruht.
Dieser Unterschied hängt wahrscheinlich mit der entscheidenden Rolle des Depressormuskels bei der Erzeugung der Beinhaltung in jeder Gehsituation zusammen. Somit liefern unsere Ergebnisse Hinweise auf qualitativ unterschiedliche Mechanismen zur Erzeugung rhythmischer Aktivität zwischen MN-Pools im selben Bewegungssystem.