Gene oder Umwelt: Was formt den sensorischen Homunkulus?

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Gene oder Umwelt: Was formt den sensorischen Homunkulus?
Gene oder Umwelt: Was formt den sensorischen Homunkulus?
Anonim

Protein, das nachweislich beim Aufbau von Körperkarten hilft, wirft Fragen zu individuellen Funktionsunterschieden auf

Boston, MA 30. März 2000 - Ein einziges Gen, das im Gehirn exprimiert wird, kann eine langjährige Ikone der grundlegenden Neurowissenschaften verändern, von der man bisher annahm, dass sie hauptsächlich durch neuralen Input aus der Peripherie des Körpers geformt wird, Harvard Medical School Forscher haben herausgefunden.

Der sensorische Homunkulus ist die vertraute Lehrbuchkarikatur eines Menschen, der unwahrscheinlich über die Oberfläche des Gehirns verteilt ist. Es zeigt, wie viel Raum das Gehirn unseren verschiedenen Körperteilen zuweist, wenn es darum geht, die Welt um uns herum zu erspüren.Es wird allgemein angenommen, dass seine wild ungleichmäßigen Proportionen als Reaktion auf die Aktivität sensorischer Neuronen entstehen, die das Gehirn mit Informationen versorgen. In der April-Ausgabe von Nature Neuroscience berichten Forscher unter der Leitung von John Flanagan, außerordentlicher Professor für Zellbiologie an der HMS, dass ein Protein, von dem zuvor bekannt war, dass es Karten der visuellen Welt in unteren Gehirnzentren erstellt, auch eine herausragende Rolle bei der Prägung einer richtigen Körperkarte spielt der Hirnrinde.

Die Arbeit ist faszinierend, weil frühere Forschungen in anderen Bereichen die Repräsentation im Gehirn mit funktionellen Fähigkeiten korreliert haben, was im Wesentlichen darauf hindeutet, dass wichtigere Dinge mehr Platz im Gehirn bekommen. "Dass wir dies mit einer genetischen Veränderung modifizieren können, war völlig unerwartet", sagt Flanagan.

Seine Gruppe hat noch nicht analysiert, wie sich die verzerrte Körperkarte der Mäuse auf sie auswirkt, aber er sagt, dass es im Allgemeinen "nicht zu weit hergeholt ist zu glauben, dass Sie sich ändern, wenn Sie die Repräsentationsskala im Kortex ändern Verh alten."

Die meisten Eltern wundern sich über die unterschiedlichen Interessen ihrer Kinder. Woher könnten diese Unterschiede kommen? Die Genetik befasst sich teilweise mit dieser Frage, indem sie versucht, Gene mit bestimmten Verh altensweisen zu verknüpfen, beispielsweise mit der Neigung zu Abenteuerlust. „Aber in Bezug auf diese Karten gibt es keine früheren Hinweise auf eine genetische Grundlage dafür, wie sie kontrolliert werden könnten“, sagt Flanagan.

Lange etablierte Artenunterschiede in sensorischen Karten spiegeln bereits Unterschiede in der funktionellen Bedeutung und damit auch in der Fähigkeit wider. Bei Mäusen zum Beispiel nehmen die Schnurrhaare und die Schnauze den größten Teil des sensorischen Gehirnraums ein, während Affengehirne große Bereiche den Händen und Füßen widmen. Flanagan spekuliert, dass beim Menschen genetische Unterschiede darin, wie viel Platz das Gehirn jedem Körperteil einräumt, helfen könnten, den Unterschied zwischen einer durchschnittlichen Person und, sagen wir, einem begabten Musiker zu erklären. Die aktuelle Arbeit negiert nicht die Bedeutung der neuralen Aktivität durch ankommende Neuronen zur Bestimmung von Gehirnkarten.Es sagt jedoch zum ersten Mal, dass der Kortex auch an der Aufteilung des Gehirnraums beteiligt ist und dass dieser Einfluss genetisch bedingt ist.

Zwei Arbeiten deutscher Forscher aus dem Jahr 1995 veranschaulichen diesen gemeinsamen Einfluss der Genetik und der Umgebung des Gehirns. Mithilfe der Magnetresonanztomographie fand eine Studie Unterschiede in bestimmten Hörbereichen des Gehirns zwischen Musikern mit perfektem Gehör und Nichtmusikern. Diese Unterschiede, schreiben die Autoren, entwickeln sich um die 30. Schwangerschaftswoche und könnten daher genetisch bedingt sein. Die andere Studie zeigte, dass Streicher eine größere kortikale Repräsentation der Finger ihrer linken, aber nicht ihrer rechten Hand hatten als Nichtmusiker, und dass dieser Unterschied wahrscheinlich entstand, als die Person zu spielen begann.

Pierre Vanderhaeghen, damals Postdoc in Flanagans Labor, startete dieses Projekt, um herauszufinden, ob eine Familie von Kartierungsproteinen namens Ephrine im Kortex das tat, was sie im visuellen System und anderswo im Gehirn taten.Diese Frage war umstritten, zum Teil, weil der sich entwickelnde Kortex einheitlich aussieht. Tatsächlich wussten die Wissenschaftler nicht einmal, ob es kartographierende Moleküle enthielt, und wenn ja, wo. Wie sich der sensorische Homunkulus entwickelt, ist nicht gut verstanden, und frühere Arbeiten auf diesem Gebiet hatten sich auf die eingehenden neuralen Verbindungen konzentriert. Es wurde argumentiert, dass dicht innervierte Bereiche, einschließlich der Lippen und der Zunge, große Kohorten von Neuronen in das Gehirn schickten und dass ihre intensive Aktivität es ihnen ermöglichte, ein großes Territorium in der kortikalen Schicht 4 zu beanspruchen, die eingehende sensorische Informationen verarbeitet. Dem Cortex selbst wurde, wenn überhaupt, nur eine kleine instruktive Rolle zugeschrieben.

Vanderhaeghens Experimente legten nahe, dass es noch mehr geben muss. Zuerst fand er heraus, dass Ephrin-A5 im somatosensorischen Cortex der Maus in einem Gradienten exprimiert wurde – hoch oben am Kopf, niedrig an den Seiten. Dann fand er einen passenden Gradienten eines Rezeptors für Ephrin-A5, EphA4, auf eingehenden Neuronen aus dem Thalamus, der letzten Relaisstation für taktile Informationen von der Körperoberfläche.Beide Gradienten treten während der Entwicklungsphase auf, wenn diese Thalamusneuronen in den Cortex eindringen und Verbindungen in Schicht 4 herstellen.

Vermutlich ist Ephrin-A5 einer von mehreren Gradienten, die sich überlappen, um Punkte im Gehirn zu definieren, ähnlich wie eine x-, y- und z-Achse Punkte in einem mathematischen 3D-Graphen definieren. Die Idee ist, dass ankommende Neuronen dieses Kreuzfeuer von Markierungen mit der Kombination von Rezeptoren, die sie tragen, aushandeln. Am Ende findet jedes Neuron seinen richtigen Platz in einem räumlichen Muster, das die Außenwelt widerspiegelt.

Der molekulare Mechanismus, durch den dies geschieht, ist kaum bekannt. Forscher wissen jedoch, dass die Ephrine durch Abstoßung wirken – das heißt, Neuronen, die mit vielen EphA4-Rezeptoren besetzt sind, meiden Bereiche mit dichtem Ephrin-A5-Liganden.

Als nächstes maß Vanderhaeghen den genauen Bereich, der in Schicht 4 den Schnurrhaaren der Maus, ihrem wichtigsten Tastorgan, gewidmet war. Er fand heraus, dass Mäuse, denen Ephrin-A5 fehlte, seltsam verzerrte Schnurrhaarfelder aufwiesen, wodurch einige Schnurrhaare erweiterten Raum erhielten, während andere zusammengedrückt wurden.

Der Gesamteffekt ähnelt Unterschieden in Weltkarten, die nach Kriterien wie Ölvorkommen erstellt wurden: Die Nachbar-Nachbar-Beziehungen der Länder bleiben korrekt, aber plötzlich sieht Norwegen neben dem kleinen Schweden und Finnland seltsam groß aus. In ähnlicher Weise ist die Körperkarte der Mäuse im Wesentlichen intakt, aber im Maßstab verschoben (siehe Bild). Das war überraschend, denn im visuellen System sind Ephrine dafür bekannt, dass sie ankommenden Neuronen dabei helfen, diese Nachbar-Nachbar-Beziehungen treu aufrechtzuerh alten, wenn sie Verbindungen im Gehirn herstellen. Ohne Ephrin-Etiketten löst sich ihre räumliche Ordnung auf und die Neuronen wachsen insgesamt in die falschen Bereiche hinein. Abschließend fügt Flanagan hinzu, damit sich niemand vom Homunkulus falsch dargestellt fühlt, dass es nicht um bloße Sensibilität geht, sondern um die Fähigkeit, taktile Informationen aufzulösen. Wir empfinden Schmerzen, wenn wir in die Rippen oder den Unterschenkel eingeklemmt werden, würden diese Teile jedoch nicht zum Lesen von Braille verwenden.

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