Wie das Gehirn geplante und tatsächliche Bewegung auseinanderhält

Geplante und tatsächliche Bewegungen sind im Gehirn schwer zu unterscheiden, denn beide äußern sich über sehr ähnliche neuronale Signale. Eine neue Methode ermöglicht nun, diese Impulse genauer zu differenzieren, und auch nachzuvollziehen, wie eine geplante Bewegung an der unmittelbaren Ausführung gehindert wird. Entwickelt wurde der Ansatz von einem Forschungsteam um Dr. David Eriksson und Prof. Dr. Ilka Diester vom Exzellenzcluster BrainLinks-BrainTools am Institut der Biologie III der Universität Freiburg. Die Wissenschaftler*innen zeichnen dabei die Aktivität einzelner Neuronen von Nagetieren in mehreren motorischen Arealen auf – und zwar während sich die Tiere frei bewegen. Bisherige Ansätze untersuchten konditionierte Bewegungen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forschenden in der Fachzeitschrift Nature Communications.

Planung und Ausführung von Bewegungen entwickeln sich auf unterschiedliche Zeitskalen

„Unsere Forschung zeigt, dass im sensomotorischen Kortex die neuronalen motorischen Planungsprozesse mit langsamerer Dynamik ablaufen als die bewegungsbezogenen Reaktionen“, erläutert Diester. Bewegungsplanung und -ausführung entwickeln sich demnach im Gehirn gleichzeitig, aber auf unterschiedlichen Zeitskalen. Während das Ausführen von Bewegungen auf schnellen neuronalen Veränderungen beruht, basieren Bewegungspläne auf langsamen neuronalen Veränderungen. Die langsameren Planungsprozesse werden zudem durch einen Filter an der Weiterleitung an die Muskeln gehindert. Da dieser Filter nur erlaubt, sich schnell ändernde Signale in Bewegungen umzusetzen, führen Planungen nicht unmittelbar und automatisch zu Bewegungen. „Diesen Mechanismus können wir mit bestehenden Hypothesen und Schemata in Einklang bringen – und er könnte sogar ein allgemeines Modell für die motorische Kontrolle sein“, prognostiziert Diester.

Optogenetische Simulationen bestätigen Ergebnisse

In ihrer Arbeit separierte das Team die kontinuierliche selbstgesteuerte Planung von ihrer motorischen Ausführung, indem sie für die untersuchten Tiere die Wiederholbarkeit von Bewegungen minimierten – nicht aber die generelle Bewegungsfreiheit der Tiere. Die Erweiterung des Repertoires von unterschiedlichen, nicht stereotypen Bewegungen maximierte die zeitliche Trennung zwischen laufenden Planungs- und Ausführungsprozessen – und somit ihre Beobachtbarkeit. Den Effekt auf die relevanten neuronalen Frequenzen für die Planung und Ausführung erfassten die Wissenschaftler*innen durch Hochpassfilterung und bestätigten ihre Ergebnisse kausal mit optogenetischen Stimulationen.

Der neuartige experimentelle Ansatz ermöglichte zudem zu vergleichen, wie unterschiedliche Arten von Verhalten neuronal verarbeitet werden – etwa das Bewegen des gesamten Körpers und eines Joysticks. Und auch für weitere offene Forschungsfragen kann die Methode neue Einsichten bringen, etwa: Wie Bewegungspläne geändert werden, ohne die laufenden Bewegungen zu beeinträchtigen. „Wir sehen unseren Untersuchungsansatz als ergänzende Methode zu den klassischen, der neues Licht auf die Mechanismen der Bewegungskontrolle werfen kann“, sagt Diester.

Originalpublikation:
Eriksson, D., Heiland, M., Schneider, A., Diester, I. (2021): Distinct dynamics of neuronal activity during concurrent motor planning and execution. In: Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-021-25558-8

Video zur Forschung von Ilka Diester zu neuronalen Bewegungssignalen

998de07fbae4f0f5486f9e20596776ce

Bewegungsplanung und -ausführung entwickeln sich auf unterschiedlichen Zeitskalen. Diese beiden Effekte überlagern sich im Gehirn, können aber durch einen Hochpassfilter wieder separiert werden. Quelle: AG Diester

Kontakt:
Prof. Dr. Ilka Diester
Institut für Biologie III
IMBIT // BrainLinks-BrainTools
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Tel.: 0761/203-8440
E-Mail: ilka.diester@biologie.uni-freiburg.de
Twitter: @ilka_diester

Bastian Strauch
Hochschul- und Wissenschaftskommunikation
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Tel.: 0761/203-4301
E-Mail: bastian.strauch@pr.uni-freiburg.de