Rolle des Kleinhirns beim kognitiven Lernen beleuchten
Das Kleinhirn ist eine kleine Struktur im hinteren Teil des Gehirns, die sensorische Informationen empfängt und verarbeitet und an einigen motorischen Fähigkeiten und komplexen Bewegungen beteiligt ist. Beim Menschen ist eine Schädigung des Kleinhirns im Zusammenhang mit der Geburt mit einem höheren Risiko verbunden, eine Autismus-Spektrum-Störung zu entwickeln. Eine umfassendere Untersuchung könnte uns daher helfen, die komplexen neuronalen Unterschiede bei Menschen mit Autismus besser zu verstehen. „Unser Ziel war es, den Beitrag des Kleinhirns zu Kognition, Lernen und sensorischer Verarbeitung zu beleuchten. Zunächst wollten wir erfahren, wie das Kleinhirn zum Erlernen einer kognitiven Aufgabe bei Mäusen beiträgt“, erklärt Marlies Oostland(öffnet in neuem Fenster), Assistenzprofessorin für Neurowissenschaften an der Universität Amsterdam(öffnet in neuem Fenster) und Projektkoordinatorin von NeuroTick. Das Mausmodell sollte eine verminderte Leistung des Kleinhirns aufweisen, die Ergebnisse ließen jedoch auf ein verbessertes Lernen schließen. „Wir stellten in einem Mausmodell für Autismus tatsächlich verbesserte spezifische Fähigkeiten fest“, sagt Oostland. „Das brachte uns dazu, Autismus-Spektrum-Störungen nicht so sehr als eine Störung zu betrachten, sondern als eine Variante, die in bestimmten Nischen adaptiv sein kann.“
Mäuse auf Lernfähigkeiten testen
Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts NeuroTick, das von den Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) unterstützt wurde, führte das Team ein bekanntes Experiment zur Entscheidungsfindung durch. Die Mäuse erhalten Luftstöße auf die linken und rechten Schnurrhaarspitzen und müssen korrekt in Richtung der Seite lecken, die eine höhere Anzahl von Luftstößen erfahren hat, um belohnt zu werden. Das NeuroTick-Team trainierte mehrere Mäusegruppen für diese Aufgabe, darunter einige Mäuse mit verminderter Kleinhirnleistung, Wildtyp-Mäuse, die stärkere Luftstöße erhielten, einige Mäuse, deren Luftstöße mit einer entfernten, intermittierenden Aktivierung der Purkinje-Zellen – komplizierte Neuronen im Kleinhirn – gepaart waren, und andere mit einer kontinuierlichen Aktivierung ihrer Purkinje-Zellen. Die Forschenden beobachteten auch die Verhaltensreaktionen der Mäuse, führten Computeranalysen durch, um verborgene Verhaltenszustände zu ermitteln, während die Tiere das Training durchliefen, und zeichneten verschiedene Hirnareale auf, während sie auch die Leistung des Kleinhirns manipulierten.
Versuchsreihen mit unerwarteten Ergebnissen
Das Team erwartete, dass die Mäuse mit reduzierter Leistung im Kleinhirn die Aufgabe überhaupt nicht umsetzen könnte. „Zu unserer Überraschung lernten die mutierten Mäuse jedoch schneller“, fügt Oostland hinzu. In nachfolgenden Experimenten entdeckte das Team weitere kontraintuitive Ergebnisse, die darauf hindeuten, dass sowohl eine verringerte Leistung als auch eine erhöhte Aktivität des Kleinhirns das Lernen verbessern können. „Auf der Grundlage unserer Ergebnisse gehen wir davon aus, dass das Kleinhirn die sensorische Reaktivität auf einer hirnweiten Ebene reguliert, um die Ausdauer und das Lernen von Aufgaben zu steuern“, erklärt Oostland. Die vollständige Studie wurde als Vorabdruck(öffnet in neuem Fenster) auf dem bioRxiv-Server veröffentlicht.
Forschung durch Kitzeln von Ratten fortführen
Oostland plant nun, Lernen und sensorische Verarbeitung in einer natürlicheren und sozialeren Umgebung zu untersuchen, insbesondere beim Spielen. „Zunächst werden wir Ratten kitzeln, um überraschende Ereignisse zu analysieren, während wir die neuronale Aktivität des Kleinhirns und damit verbundener Vorderhirnbereiche aufzeichnen“, sagt sie. Während das Team zu verstehen versuchte, wie das Kleinhirn auf überraschende Ereignisse reagiert, waren die Ergebnisse selbst überraschend – und führten zu neuen Forschungsansätzen. „Unter anderem deshalb finde ich die Wissenschaft so aufregend: Wenn man die Grenzen des Wissens erweitert, kann die ursprüngliche Hypothese durch Daten widerlegt werden. Ich bin stolz darauf, dass es uns gelungen ist, den Hinweisen zu folgen“, schließt sie.
