Wissenschaftler der University of California San Diego haben in einer Studie gezeigt, dass die gezielte Stimulation von nur rund 20 Neuronen im motorischen Kortex erlernte Bewegungen bei Mäusen auslösen kann. Die in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Arbeit klärt langjährige Fragen zur Entstehung von Bewegungsmustern im Gehirn.
Bei der Aneignung neuer körperlicher Fertigkeiten speichert das Gehirn die exakten Abläufe als neuronale Aktivitätsmuster ab. Das gilt für das Einüben von Klavierstücken ebenso wie für die Schläge beim Pickleball. Bislang war in der Neurobiologie umstritten, ob diese beobachteten Aktivitätsmuster im motorischen Kortex tatsächlich die Bewegung erzeugen. Sie konnten bislang auch lediglich Reaktionen auf Befehle aus anderen Hirnregionen widerspiegeln.
Auch die Herkunft dieser Signale blieb unklar. Ein Forschungsteam an der University of California San Diego liefert darauf nun eine Antwort. Durch die Kombination moderner optischer Verfahren isolierten die Wissenschaftler jene Areale, die für frisch erlernte Bewegungen verantwortlich sind. Dabei zeigte sich, dass eine gezielte neuronale Aktivierung ausreicht, um ein umfassendes Hirnsignal und die entsprechende motorische Aktion in Gang zu setzen.
Präzise Manipulation im Mausgehirn
Das Gehirn einer Maus verfügt über etwa 70 Millionen Neuronen. Umso überraschender war für das Team, dass eine minimalinvasive Stimulation im Kleinformat ausreicht, um komplexe Reaktionen zu steuern. Die Forscher setzten im Rahmen ihrer Experimente auf eine Kombination aus Zwei-Photonen-Kalzium-Bildgebung für hochpräzise Einblicke in die zelluläre Aktivität sowie auf holografische Optogenetik.
Mit diesen Techniken gelang es den Wissenschaftlern, Gehirnsignale nicht nur zu lesen, sondern gezielt zu schreiben. Sie konzentrierten sich dabei auf sogenannte Frühstart-Neuronen
— jene Nervenzellen, die unmittelbar vor einer geplanten Bewegung erhöhte Aktivitätswerte zeigen. Die künstliche Reizung dieser spezifischen Zellen bewies, dass sie als Auslöser für den gelernten Bewegungsablauf dienen.
Qiyu Chen erklärte: „Dies verschafft uns den Vorteil, die Aktivität von Neuronen während eines bestimmten Verhaltens beobachten zu können. Wir können die funktionellen Eigenschaften von Neuronen identifizieren und im Anschluss gezielt die Neuronen unserer Wahl stimulieren.
Forschung unter Leitung der UC San Diego
Die im Fachblatt Nature publizierte Untersuchung steht unter der Leitung des Graduiertenstudenten Qiyu Chen aus dem Fachbereich Biological Sciences. Sie baut auf Forschungsarbeiten von An Wu auf, einem Assistenzprojektwissenschaftler im Labor von Takaki Komiyama, der im Jahr 2023 bei einem Brand in Montreal ums Leben kam.
Als Seniorautor fungiert Takaki Komiyama, Professor an der UC San Diego in den Departments für Neurobiologie und Neurowissenschaften. Das Team stellte fest, dass der Erfolg der künstlichen Bewegungsauslösung stark vom jeweiligen Zustand des motorischen Kortex abhängt. Entscheidend ist dabei, ob das Tier unmittelbar vor der Stimulation aufmerksam und aktiv in die Aufgabe eingebunden ist.
Perspektiven für medizinische Anwendungen
Die Arbeiten im Labor von Takaki Komiyama sind mit diesem Schritt nicht abgeschlossen. In einem darauffolgenden Projekt untersuchen die Forscher nun die genauen Verbindungen zwischen den beteiligten Neuronen. Im Mittelpunkt steht die Frage, wie die Nervenzellen untereinander kommunizieren, um gelernte motorische Muster zu erzeugen.
Langfristig könnten derartige Erkenntnisse in die Entwicklung fortschrittlicher Gehirn-Computer-Schnittstellen einfließen. Das Verfahren soll eines Tages Patienten nach Schlaganfällen oder mit Lähmungserscheinungen helfen, alltägliche Bewegungen gezielt auszulösen. Zudem eröffnet die Möglichkeit, spezifische Aktivitätsmuster künstlich im Gewebe zu verankern, neue Perspektiven für die Wiederherstellung von Erinnerungen und die Förderung von Lernprozessen, während das Gehirn rund 70 Millionen Neuronen besitzt.
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