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Communications
Biozentrum, University of
17.11.2016
Basel
Klingelbergstrasse 50/70
CH-4056 Basel / Switzerland
Email: communicationsbiozentrum-at-unibas.ch
Laufen hat Hand und Fuss: Wie lange Nervenfasern die
Bewegungen unserer Extremitäten miteinander koppeln
Wir Menschen laufen mit unseren Beinen. Das ist richtig und doch
nicht ganz: Laufen ist eine koordinierte Ganzkörperbewegung,
die Beine und Arme mit einbezieht. Die Forschungsgruppe von
Prof. Silvia Arber am Biozentrum der Universität Basel und am
Friedrich Miescher Institut für Biomedical Research hat
verschiedene Populationen von Nervenzellen mit langen
Verbindungen im Rückenmark identifiziert. Die im Fachjournal
«Neuron» veröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass diese
Nervenverbindungen die Bewegung von Armen und Beinen beim
Laufen koordinieren und für eine stabile Körperhaltung sorgen.
Die Laufbewegung entsteht durch eine hoch
kontrollierte Abfolge von Muskelkontraktionen,
welche von komplexen Nervennetzwerken im
Gehirn und im Rückenmark gesteuert werden.
Laufen ist eine
Ganzkörperbewegung. Arm- und
Beinbewegungen werden dabei von
langen Nervennetzwerken im
Rückenmark gekoppelt.
Die Forschungsgruppe von Prof. Silvia Arber
am Biozentrum der Universität Basel und am
Friedrich Miescher Institut für Biomedical
Research (FMI) fand nun heraus, dass
spezifische lang projizierende
Nervenverbindungen, die unser Rückenmark
durchlaufen, eine wichtige Grundlage für die Koordination von Armen und
Beinen bilden. Diese Nervenzellen koppeln lokale Netzwerke über lange
Distanzen und sorgen so dafür, dass unser Körper beim Laufen Haltung
und Rhythmus behalten kann.
Nervennetzwerke im Rückenmark spiegeln die
Laufbewegung wider
Auch wenn sich der Mensch im Laufe der Evolution irgendwann
aufgerichtet hat, so muss er beim Laufen wie jeder Vierfüssler seine vier
Gliedmassen koordinieren und alternierend bewegen. «Wir konnten im
Mausmodell zeigen, dass sich die gegenläufige Bewegung von Armen und
Beinen im Nervennetzwerk des Rückenmarks widerspiegelt», so Ludwig
Ruder, Erstautor der Studie. So kreuzen die meisten aktivierenden dieser
Nervenverbindungen die Mittellinie des Rückenmarks und kontaktieren
gegenüberliegende Netzwerke. Im Gegensatz dazu verlaufen die
hemmenden Nervenzellen mehrheitlich auf der gleichen Körperhälfte. Der
diagonale, gespiegelte Verlauf der aktivierenden Nervenverbindungen ist
sehr interessant, wenn man sich die Koordination von Armen und Beinen
bei einem Läufer wie Usain Bolt genauer anschaut. «Beim Laufen
bewegen sich eben nicht nur seine Beine, sondern zeitgleich und
diametral dazu auch seine Arme – in völliger Abstimmung miteinander»,
so Ruder.
Lang projizierende Nervenzellen kontrollieren
ganzkörperliche Bewegung…
Weitere Informationen
Research group Silvia
Arber
Um die Bedeutung der langen Nervenverbindungen im Rückenmark für
die Laufbewegung aufzuzeigen, haben die Wissenschaftler lang
projizierende Nervenzellen selektiv ausgeschaltet. «Sind diese
Verbindungen im Rückenmark, welche lokale Netzwerke miteinander
koppeln, inaktiv, geht nicht nur die Stabilität und Schnelligkeit beim
Laufen verloren, auch die koordinierte Arm- und Beinbewegung gerät bei
hoher Geschwindigkeit durcheinander», so Ruder. Interessant dabei ist,
dass lokale Bewegungsmuster, die nur einzelne Extremitäten betreffen,
davon nicht beeinträchtigt sind. Dies verdeutlicht die ganzkörperliche
Rolle der lang projizierenden Nervenzellen.
…und verteilen Informationen des Gehirns
In einem weiteren Schritt fand das Forschungsteam heraus, dass lang
projizierende Nervenzellen ihre Signale im ganzen Rückenmark verteilen
und weitläufige Informationen aus dem Gehirn erhalten. Die Anordnung
der lang projizierenden Nervenzellen und ihre Verbindungen machen sie
damit zu einer wichtigen Schnittstelle für die Integration und Verbreitung
von Signalen des Gehirns.
Bislang haben Wissenschaftler vor allem lokale Nervennetzwerke im
Rückenmark und deren Rolle in der Bewegung untersucht. Dabei blieben
die lang projizierenden Nervenverbindungen und ihre Bedeutung
weitgehend unberücksichtigt. «Die Ergebnisse der neuen Studie zeigen
jedoch, dass Nervenzellen im Rückenmark mit langen Projektionen eine
sehr wichtige Rolle für die Koordination des Laufens spielen», erklärt
Silvia Arber. «Wir untersuchen nun, wie das Gehirn mit den lokalen und
den lang projizierenden Neuronen im Rückenmark unterschiedlich
interagiert, um diese jeweils spezifisch zu kontrollieren.» Solche
Ergebnisse können langfristig wichtig sein, um eine funktionelle
Wiederherstellung nach Rückenmarkverletzungen zu erreichen.
Originalbeitrag:
Ludwig Ruder, Aya Takeoka and Silvia Arber: Long-Distance Descending
Spinal Neurons Ensure Quadrupedal Locomotor Stability. Neuron.
Published online November 17, 2016.
Kontakt: Kommunikation, Heike Sacher