Epigenetischer Mechanismus im Kleinhirn treibt motorisches Lernen an

Zeitgeist Moving Forward [Full Movie][2011] (Kann 2019).

Anonim

Kleinhirn in rot.

Das Kleinhirn (lateinisch für "kleines Gehirn") galt lange Zeit als Sitz des Muskelgedächtnisses und des Erlernens neuer motorischer Fähigkeiten. Als ich aufwuchs, sagte mein Vater, der sowohl Neurowissenschaftler als auch Tennistrainer war, oft: "Chris, denk daran, mit jedem Schlag die Muskelerinnerung deines Kleinhirns zu hämmern und zu schmieden."

Das Wachstum und die Beschneidung von Neuronen im Kleinhirn und im gesamten Gehirn ist erforderlich, um die motorischen Fähigkeiten, die für einen Tennisball erforderlich sind, fein abzustimmen, ein Musikinstrument zu spielen, die Steuerung eines Videospiels zu beherrschen, einen Steuerknüppel zu steuern usw .

Eine neue Studie der Washington University School of Medicine (WUSM) in St. Louis zeigt die genauen neuralen Mechanismen auf, die es dem Kleinhirn ermöglichen, komplexe motorische Fähigkeiten zu erlernen und sich daran zu erinnern.

Die im Juli 2016 veröffentlichte Studie "Chromatin Remodeling inaktiviert Aktivitätsgene und reguliert die neurale Kodierung", erscheint in der Fachzeitschrift Science .

Diese Studie wurde von Azad Bonni, MD, Ph.D., Leiter der Abteilung für Neurowissenschaften bei WUSM und Gründer des Bonni Lab geleitet. Die Forscher untersuchten spezifische Gene im Kleinhirn von Mäusen, die aktiviert werden, wenn die Mäuse körperlich aktiv sind. In einer Stellungnahme sagte Dr. Bonni,

"Wir haben bei Mäusen gezeigt, dass Gene sich nicht einfach selbst abschalten, es gibt einen aktiven Mechanismus, um Gene auszuschalten, nachdem sie aktiviert wurden. Wenn dieser Mechanismus im Gehirn gestört ist, sieht man ernsthafte Konsequenzen für Lernen und Gedächtnis .

Das Ein- und Ausschalten von Genen ist eine fundamentale Eigenschaft der Zellbiologie, und dies ist der erste epigenetische Mechanismus, der erklärt, wie man Gene abstellt, nachdem sie aktiviert wurden. Ich denke, wir werden feststellen, dass dieser Mechanismus Gene in vielen verschiedenen Kontexten ausschaltet. "

Die Epigenetik untersucht, wie externe Kräfte wie Ihre Umwelt und Ihre Lebensgewohnheiten "An / Aus" -Mechanismen in genetischen Schalttafeln und Genexpressionen auslösen. Im Gegensatz zu Veränderungen in der DNA-Sequenz regulärer Genetik, die in Code festverdrahtet sind, sind die Veränderungen in der Genexpression, die durch Epigenetik erzeugt werden, formbar und haben eine Vielzahl äußerer Ursachen.

Wie sich herausstellte, hat der von Bonni et al. wird durch ein Enzym gesteuert, das aktivitätsabhängige Transkriptionen im Kleinhirn ausschaltet, und Pflaumen dendriten Wachstumsmuster. Dies ist der Schlüssel zur Kodierung sensomotorischer Fähigkeiten im gesamten Gehirn. Das genaue Enzym - bekannt als Nukleosom-Remodellierungs- und Deacetylase (NuRD) -Komplex - scheint für das Ausschalten von Genen entscheidend zu sein. Mäuse, denen NuRD fehlt, können die Gene nach Beendigung der körperlichen Aktivität nicht ausschalten.

Epigenetische Regulation im Gehirn ist der Schlüssel zum Lernen und Gedächtnis

Die Gene in unseren lebenden Zellen werden über Epigenetik ständig an- und ausgeschaltet. Das Versagen von Genen im Gehirn kann zu einer fehlerhaften Gehirnverkabelung führen, die alle Arten von Lernen und Gedächtnis beeinträchtigt. Obwohl die Aktivierung von Genen und das Wachstum neuer Neuronen durch Neurogenese (Geburt neuer Neuronen) mehr Aufmerksamkeit erhalten als die Deaktivierung und Beschneidung von Neuronen - ist die Deaktivierung von Genen und das Beschneiden von Neuronen ebenso wichtig.

Während der menschlichen und tierischen Entwicklung bilden Neuronen Milliarden von Verbindungen miteinander. Dann, in einem "Gebrauch-oder-verlieren-es" -Typ des neuralen Darwinismus, schneiden spezifische Mechanismen des Gehirns überflüssige Verbindungen zurück, um das Fett zu "trimmen" und neurale Netzwerke zu rationalisieren. In diesem Sinne fanden die WUSM-Forscher heraus, dass bestimmte Gene durch körperliche Aktivität aktiviert werden, die die Bildung neuraler Verbindungen, Dendriten genannt, fördert.

Die rauchende Waffe dieser Studie scheint zu sein, dass einige dieser Dendriten ausgeschaltet und zurückgeschnitten werden müssen, um neue motorische Fähigkeiten mit Fluidität zu meistern. Wenn diese Gene nicht deaktiviert werden und alle Dendriten sich weiter vermehren - sowohl wichtige als auch unwichtige - wird die Fähigkeit, neue motorische Fähigkeiten zu erlernen, beeinträchtigt.

Die Neuronen im Kleinhirn von Mäusen, denen das epigenetische Enzym NuRD fehlte, waren nicht in der Lage, Verbindungen zu beschneiden, wodurch zu viele neuronale Netze im Spiel blieben und eine Art Chaos entstand. Diese reichlich vorhandenen Verbindungen beeinträchtigten nicht die Fähigkeit der Mäuse, auf einem Laufband zu laufen, aber sie beeinflussten ihre Fähigkeit, als Erwachsene neue motorische Fähigkeiten zu erlernen.

Die Optimierung der funktionellen Konnektivität innerhalb und zwischen allen vier Gehirnhälften kann sich auf epigenetische Mechanismen stützen, um die neurale Beschneidung "ein- und auszuschalten".

In Bezug auf die Spitzenleistung und das Beherrschen einer Fähigkeit bis zur Superfluidität - die durch reibungsloses oder reibungsloses Fließen gekennzeichnet ist - habe ich eine Hypothese, die die Gehirnverbindungen durch Plastizität und Beschneiden (wie im "Super 8" -Bild zu sehen) rationalisiert nach links) ist grundlegend. Diese neue Forschung von Dr. Bonni impliziert, dass Epigenetik der Schlüssel zu diesem Prozess ist.

Zum Beispiel konnten erwachsene Mäuse, denen das Enzym fehlte, geradeaus auf einem Laufband laufen, aber nicht lernen, auf einem rotierenden Stab zu laufen, der sich allmählich beschleunigte, eine Aufgabe, die andere Mäuse nach wenigen Versuchen leicht bewältigen konnten.

"Sie laufen normal, sie sind koordiniert, aber beim Lernen sind sie wirklich stark beeinträchtigt", bemerkte Dr. Bonni. "Es ist wirklich überraschend, dass diese Defizite nicht darauf zurückzuführen sind, Gene nicht zu aktivieren, sondern sie nicht auszuschalten."

Schlussfolgerung: Mehr Forschung zu Epigenetik und Kleinhirn wird benötigt

In Zukunft werden Dr. Bonni und seine Kollegen mehr Forschung betreiben, um den genauen Mechanismus aufzuzeigen, der Veränderungen in der Genaktivität auslöst und zu Veränderungen der Gehirnzellenaktivität führt.

"Dieses Enzym (NuRD) ist mit anderen Enzymen verwandt, die bei neurologischen Entwicklungsstörungen mutiert sind", schloss Bonni. "Die Fähigkeit, Gene auszuschalten, hat tiefgreifende Konsequenzen für die Verdrahtung und das Lernen des Gehirns, und wir wollen herausfinden, wie." Bleiben Sie dran für die anstehende Forschung zu diesem spannenden Thema!