Forschungsergebnisse zur Entwicklung des Gehirns können Aufschluss über neurologische Erkrankungen

Dennis O ‚ Leary des Salk-Institut war der erste Wissenschaftler, zu zeigen, dass die grundlegenden funktionellen Architektur des Kortex, der den größten Teil des menschlichen Gehirns, wurde genetisch bestimmt während der Entwicklung. Aber wie es so oft tut, in der Wissenschaft, die Beantwortung einer Frage eröffnet, viele andere. O ‚ Leary gefragt, was ist, wenn das layout des cortex war nicht behoben? Was würde passieren, wenn Sie verändert wurden?

In der August-Ausgabe von Nature Neuroscience, O ‚ Leary, Inhaber des Vincent J. Coates Stuhl der Molekularen Neurobiologie bei Salk und Andreas Zembrzycki, ein Postdoc-Forscher in seinem Labor zeigen, dass die Veränderung der kortikalen layout möglich ist, und dass diese Veränderung produziert erhebliche Veränderungen in teilen des Gehirns, die Verbindung mit der Großhirnrinde und definieren seine funktionalen Eigenschaften. Diese Mechanismen können lag an der Herz-Neuro-Entwicklungsstörungen, wie z.B. Autismus-Spektrum-Störungen (ASD).

Der menschliche Kortex ist involviert in höhere Funktionen wie Sinneswahrnehmung, räumliche Argumentation, bewussten Gedanken und Sprache. Alle Säugetiere haben die Bereiche in der Hirnrinde, die die Sinne, aber Sie haben Sie in verschiedenen Proportionen. Mäuse, die Lieblings-Labor-Tier, sind nachtaktiv, so dass Sie eine große somatosensorischen Bereich (S1) in der Kortex, die verantwortlich für somatosensation, oder die Gefühle des Körpers, die gehören Berührung, Schmerz, Temperatur und Propriozeption.

„Der Bereich layout des Kortex bezieht sich direkt auf die Lebensweise eines Tieres“, sagt Zembrzycki. „Bereiche sind größer oder kleiner, je nach den Bedürfnissen des Tieres, nicht die physische Größe der Körperteile, von denen Sie input erhalten.“

Auch mit relativen Größen zu anderen Arten, die in Platz gesetzt, die Bereiche in der Hirnrinde des Menschen kann sehr unterschiedlich auf den einzelnen. Solche Schwankungen zugrunde liegen kann, warum einige Leute scheinen zu natürlich besser auf bestimmte Wahrnehmungs-Aufgaben, wie das schlagen eines Baseballs oder Aufdeckung von details der visuellen Illusionen. Bei Patienten mit neurologischen Störungen, gibt es eine noch breitere Palette von unterschieden.

Die Neuronen in S1 angeordnet sind funktionelle Gruppen, sogenannten body maps entsprechend der Dichte von Nervenenden in der Haut; so, es gibt eine größere Gruppe von Neuronen gewidmet, um die Haut auf dem Gesicht, als die Haut an den Beinen. Neurochirurg Wilder Penfield berühmt illustriert diese Idee als „sensorische homunculus,“ ein cartoon von unverhältnismäßig große Körperteile breiteten sich über den cortex. Mäuse haben ein ähnliches „mouseunculus“ im cortex, in dem die Körper Karte des Gesichts Whisker ist stark vergrößert.

Diese Wahrnehmungs-Karten sind nicht für das Leben eingestellt. Zum Beispiel, wenn innervation eines Körperteils vermindert wird früh im Leben während einer kritischen Periode, seine Karte kann schrumpfen, während andere Teile des Körpers anzeigen kann wachsen Entschädigung. Dies ist eine version von „bottom-up-Plastizität“, in dem die äußere Erfahrung betrifft Körper-Karten im Gehirn.

Um zu untersuchen, kortikalen layout, O ‚Leary‘ s team verändert ein regulatorisches gen Pax6 im Kortex von Mäusen. In der Antwort S1 wurde viel kleiner, die belegen, dass Pax6 reguliert seine Entwicklung. Sie fanden heraus, dass die Schrumpfung in S1 Folge betroffen, andere Regionen des Gehirns, die den feed sensorische Informationen in den Kortex, aber noch interessanter ist, es verändert sich der Körper-maps der in diesen subkortikalen Regionen des Gehirns, die Umwälzung der Idee, dass, einmal etabliert, diesen Hirnregionen könnte nur geändert werden, indem die äußere Erfahrung. Sie nannte diese bisher unbekannte Phänomen „top-down Plastizität.“

„Top-down Plastizität ergänzt in einer reverse-Mode der bekannten bottom-up-Plastizität induziert durch sensorische deprivation“, sagt O ‚ Leary.

Normalerweise sind die Körper-Karte im S1-Kortex Spiegel ähnliche Körper-Karten im thalamus, die wichtigste Schaltstelle für sensorische Informationen, die übermittelt somatosensation aus der körperperipherie zu den S1-Kortex durch ausgehenden neuronalen „Drähten“, die so genannten Axone. In der neu entdeckten top-down Plastizität, wenn S1 wurde kleiner gemacht, der sensorische thalamus, die feeds in ist es auch nachträglich in der Größe reduziert.

Aber die Geschichte hat eine interessante Wendung. „Nach unserem heutigen wissen über die Entwicklung von Sensorik-schaltungen, haben wir erwartet, dass alle Körper-Darstellungen in S1 wäre ebenso betroffen, wenn S1 wurde kleiner gemacht,“ sagt O ‚ Leary. „Es war eine überraschung für uns, dass nicht nur der body map kleiner, aber einige Teile davon wurden völlig fehlt. Die spezifischen deletion von teilen des Körpers anzeigen wird gesteuert durch übertriebenen Wettbewerb für die kortikale Ressourcen diktiert von S1 Größe und spielte zwischen den verbindungen von thalamic Neuronen, bilden diese Karten in der Rinde.“

„Um es in Laien-Bezeichnungen ‚Wenn Sie snooze, Sie verlieren,'“ fügt Zembrzycki. „Axone, die eine Differenzierung später werden bevorzugt ausgenommen von der kleineren S1 führt zu der spezifischen deletion der Körperteile, die Sie repräsentieren.“

„Der wesentliche Punkt, über top-down Plastizität ist, dass eine änderung der Größe und Strukturierung des sensorischen Kortex Ergebnisse in passenden Veränderungen im sensorischen thalamus durch die selektive Tod von thalamic Neuronen, die normalerweise darstellen würde Körperteile fehlen von S1,“ fügt Zembrzycki. „Daher ist ein downstream-Teil des Gehirns ist repatterned, um mit der Architektur in S1, was sich in absurden Verdrahtung des Gehirns hat eine wichtige Bedeutung für die sensorische Wahrnehmung und Funktion. Zum Beispiel Menschen mit Autismus haben sehr robuste Anomalien in Berührung und andere features von somatosensation.“

O ‚ Leary und Zembrzycki glauben, dass dieser Prozess bietet bedeutende Einblicke in die Entwicklung von Autismus und anderen neuronalen Erkrankungen. „Eines der Kennzeichen des autistischen Gehirns früh in der Entwicklung ist der Bereich Profil scheint zu sein, abnormal, mit z.B. dem frontalen Kortex vergrößert, während der gesamte Kortex behält seine normale Größe“, sagt O ‚ Leary. „Es ist implizit, dass dann andere kortikale Areale positioniert hinter den frontalen Bereichen, wie z.B. S1, würde in der Größe reduziert werden, und thalamus würde Mängel aufweisen, die denen entsprechen, die in der sensorischen Hirnrinde, wie gezeigt, um der Fall bei autistischen Patienten.“

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