Aya Takeoka und ihr Team vom RIKEN Center for Brain Science in Japan haben die verschlungenen Nervenbahnen im Rückenmark aufgedeckt, die für das motorische Lernen unabhängig vom Gehirn verantwortlich sind. Ihre Studie, die am 11. April in Science veröffentlicht wurde, identifiziert zwei kritische Gruppen von Rückenmarksneuronen, die für diesen Prozess entscheidend sind: eine für den Erwerb neuer adaptiver Fähigkeiten und eine andere für das Abrufen dieser einmal erlernten Anpassungen.
Diese Erkenntnisse bieten potenzielle Möglichkeiten, die motorische Erholung nach einer Rückenmarksverletzung zu unterstützen. Trotz früherer Beobachtungen von motorischen Anpassungen ohne Gehirnfunktion, wie z. B. bei kopflosen Insekten, die ihre Beine als Reaktion auf äußere Reize bewegen, waren die zugrunde liegenden Mechanismen bisher nicht bekannt. Das Verständnis dieser Prozesse ist von entscheidender Bedeutung, um über bloße Neugierde hinaus zu praktischen Anwendungen zu gelangen.
Studie zum motorischen Lernen des Rückenmarks bei Mäusen
Innerhalb von nur 10 Minuten stellten die Forscher einen signifikanten Unterschied beim motorischen Lernen nur in der Versuchsgruppe der Mäuse fest. Diese Mäuse hoben ihre Beine an und entzogen sich so effektiv jeglicher elektrischer Stimulation – ein deutlicher Hinweis darauf, dass das Rückenmark Unbehagen mit der Beinstellung assoziieren und die motorische Leistung entsprechend anpassen konnte, und zwar unabhängig von der Gehirnfunktion.
Bemerkenswert ist, dass bei einer Wiederholung des Experiments 24 Stunden später, bei der die Rollen zwischen Versuchs- und Kontrollmäusen vertauscht wurden, die ursprünglich experimentellen Mäuse ihre angehobene Beinstellung beibehielten. Dies zeigt, dass das Rückenmark die Erinnerung an frühere Erfahrungen beibehält und neue Lernprozesse behindert.
Nachdem Lernen und Gedächtnis im Rückenmark unmittelbar etabliert waren, untersuchten die Forscher die neuronalen Pfade, die diese Funktionen ermöglichen. Anhand von sechs verschiedenen transgenen Mäusestämmen, bei denen jeweils bestimmte Gruppen von Rückenmarksneuronen ausgeschaltet waren, untersuchten sie das motorische Lernen und die Umkehrung des Lernprozesses.
Ihre Ergebnisse zeigten, dass die Hintergliedmaßen sich nicht anpassen konnten, um Elektroschocks zu vermeiden, wenn Neuronen in der Nähe des oberen Teils des Rückenmarks, insbesondere diejenigen, die das Ptf1a-Gen exprimieren, deaktiviert waren.
Die Forscher entdeckten, dass die Deaktivierung der Ptf1a-Neuronen keine Auswirkungen auf die Lernumkehr hatte. Stattdessen waren die En1-Neuronen im unteren Rückenmark für die Umkehrung des erlernten Verhaltens entscheidend. Wurden diese Neuronen nach dem Lernen unterdrückt, hatte das Rückenmark das Gefühl, dass kein Lernen stattgefunden hatte.
Tests zum Abrufen des Gedächtnisses bei normalen Mäusen zeigten einen schnellen Abruf, wobei die Hintergliedmaßen die Vermeidungsposition einnahmen. Die Stimulierung der En1-Neuronen während des Abrufs steigerte den Abruf des motorischen Gedächtnisses um 80 %. Aya Takeoka meint, dass diese Ergebnisse die Idee des hirnabhängigen motorischen Lernens in Frage stellen und Therapien zur Wiederherstellung von Rückenmarksverletzungen unterstützen könnten.