Disentangling self-paced from cued action initiation in the motor thalamus

Projektbeschreibung

Entschlüsseln, wie das Gehirn Bewegung auslöst

Jede Handlung, ob wir sie nun selbst wählen oder auf einen Reiz reagieren, beginnt tief im Gehirn. Wie genau die neuronalen Schaltkreise funktionieren, die das Gehirn vom Planen zum Handeln bringen, ist jedoch noch unklar. Das Team des ERC-finanzierten Projekts DisSeCT verfolgt das Ziel herausfinden, wie verschiedene Hirnregionen zusammenarbeiten, um Bewegungen auszulösen, und warum dieser Prozess bei Erkrankungen wie der Parkinson-Krankheit gestört ist. Im Rahmen von DisSeCT wird mittels fortgeschrittener Verhaltensexperimente an Mäusen verglichen, wie der motorische Thalamus bei selbstinitiierten im Vergleich zu fremdinitiierten Bewegungen aktiviert wird. Anhand der Kombination von neuronalen Aufzeichnungen und Optogenetik wird das Team kartieren, wie Signale der Basalganglien, des Kleinhirns und des Mittelhirns die Bewegung koordinieren und warum externe Reize helfen können, die Bewegungsfähigkeit bei Parkinson-Betroffenen wiederherzustellen.

Ziel

The initiation of movement, whether triggered by an internal (self-paced) or external stimulus (cued), relies on complex neural circuitry involving the pre-motor and motor cortex, basal ganglia, cerebellum, midbrain, and thalamus.
The motor thalamus (mThal) integrates inputs from these structures to orchestrate the shift of cortical activity from a preparatory into an execution mode, resulting in action initiation. However, it is unclear whether the activity in the mThal that releases the motor program is different for externally cued and self-paced movements.
Projections from the cerebellum and from the midbrain to the mThal have a critical role in cued movement initiation, while substantia nigra compacta (SNc) dopamine neurons, which send important projections to the basal ganglia, have been show to gate and invigorate self-paced actions. The loss of these neurons in Parkinson’s disease (PD) perturbs basal ganglia inputs to the mThal, leading to impairments in movement initiation. Interestingly, PD disrupts self-paced movements more than those triggered by external cues.
We propose that self-paced movement initiation depends on the basal ganglia projections to the mThal, whereas external cues can engage the mThal through cerebellar and/or midbrain circuits to promote movement initiation.
To test this hypothesis, we propose a novel behaviour task where mice initiate the same action in a cued or a self-paced manner, combined with recordings and optogenetic manipulation of input-defined mThal populations. We expand this approach to a mouse model of PD to further test if our hypothesis can explain why the use of external cues has a beneficial effect in PD.
Our ground-breaking experiments will advance the fundamental understanding of the neural circuits that support self-paced and cued movement initiations, while establishing a framework to understand the positive effect of cues in PD.