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Neue Forschungsergebnisse zeigen, wie für die Erzeugung rhythmischer Bewegungen relevante Neurone angesteuert werden / Veröffentlichung im Fachmagazin „Current Biology“
Wissenschaftler*innen der Universität zu Köln haben in einer neuen Studie den Mechanismus der rhythmischen Aktivierung derjenigen Nervenzellen (Neuronen) in Stabheuschrecken aufgeklärt, die die die Beinmuskulatur beim Laufen kontrollieren. Die Arbeiten der Kölner Forscher*innen zeigen, dass die Neuronen, die den Beinsenkermuskel aktivieren, im Gegensatz zu denen der anderen Beinmuskeln rhythmisch erregt werden. Bislang wurde angenommen, dass alle dieser sogenannten Motoneuronen auf die gleiche Art durch zentrale neuronale Netzwerke aktiviert werden. Die Studie wurde unter dem Titel „The synaptic drive of central pattern-generating networks to leg motor neurons of a walking insect is motor neuron pool specific” im Fachmagazin Current Biology veröffentlicht.
Das Kölner Forschungsteam untersucht die neuronalen Grundlagen der Bewegungserzeugung bei Tieren, insbesondere derjenigen, die der Fortbewegung, zum Beispiel dem Laufen, zu Grunde liegen. Dazu nutzt das Team unter der Leitung von Professor Dr. Ansgar Büschges unter anderem Insekten als Studienobjekte, da die Anforderungen an das Nervensystem bezüglich der Erzeugung und Kontrolle von Schreitbewegungen für alle Tiere im Prinzip sehr ähnlich sind. So findet man zum Beispiel über das Tierreich hinweg Netzwerke im Zentralnervensystem, welche der Erzeugung rhythmischer Aktivitätsmuster für viele Bewegungsformen zugrunde liegen, sei es für Fortbewegung wie Laufen, Schwimmen, Kriechen und Fliegen oder auch für vegetative Funktionen wie Atmung.
Diese hochspezialisierten Netzwerke werden als zentrale Mustergeneratoren (engl. central pattern generators/CPGs) bezeichnet. In Interaktion mit Informationen von Sinnesorganen, den sogenannten Propriozeptoren, welche Bewegungen und Belastungen an das Zentralnervensystem melden und sich im Falle des Laufens auf und in den Beinen befinden, erzeugen sie die rhythmische Aktivität der Muskulatur für Laufbewegungen. Dies tun die Netzwerke, indem sie diejenigen Neuronen aktivieren, die die Muskeln innervieren und motorische Neuronen, kurz Motoneuronen heißen. Bislang galt in der Forschung die Annahme, dass solche CPGs auf alle Motoneuronen, die sie ansteuern, den gleichen Einfluss haben. In ihrer neuen Studie haben Angelina Ruthe, Dr. Charalampos Mantziaris und Professor Büschges dieses lang existierende Dogma für das Laufsystem eines Insekts falsifiziert.
Dazu haben die Wissenschaftler*innen in ihren Experimenten die CPGs im Zentralnervensystem der Stabheuschrecke pharmakologisch aktiviert und deren Einfluss auf die Motoneurone untersucht, die die Beinmuskeln der Stabheuschrecke (Carausius morosus) innervieren. Sie stellten fest, dass alle Motoneurongruppen der Beinmuskulatur, bis auf eine, identische Eingänge von den Netzwerken erhalten: rhythmisch hemmende Signale von den zentralen Netzwerken. Nur die Motoneurone, die den Beinsenker innervieren, werden durch rhythmische Erregung angesteuert. Interessanterweise handelt es sich bei dem Beinsenkermuskel genau um den Muskel des Insektenbeins, der unabhängig von der Laufsituation für die Erzeugung der Stemmphase eines Schrittes verantwortlich ist – egal, ob das Tier in der Waagerechten, an der Decke oder auf einem Ast nach oben oder unten läuft. „Die rhythmische Erregung und damit die spezifische Aktivierung genau dieser Motoneurongruppe durch die CPGs könnte dazu dienen, das genaue Timing der Kontraktion des Beinsenkermuskels und damit den Start der Stemmphase und deren Stabilisation sicherzustellen“, erklärt Prof. Büschges.
Die Studie wurde durch Fördergelder der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt.
Presse und Kommunikation:
Robert Hahn
+49 221 470 2396
r.hahn@verw.uni-koeln.de
Veröffentlichung:
Verantwortlich: Dr. Elisabeth Hoffmann – e.hoffmann@verw.uni-koeln.de
Inhaltlicher Kontakt:
Professor Dr. Ansgar Büschges
Institut für Zoologie der Universität zu Köln
+49 221 470 2607
ansgar.bueschges@uni-koeln.de
https://www.cell.com/current-biology/pdfExtended/S0960-9822(24)00026-5
Criteria of this press release:
Journalists
Biology, Zoology / agricultural and forest sciences
transregional, national
Research results
German
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