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Armmuskulatur Wie bewegen wir unsere Arme und Hände?

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Befehle des Gehirns zur Bewegung der Armmuskulatur nehmen zwei Wege. Wie die Forschungsgruppe von Prof. Silvia Arber am Biozentrum der Universität Basel und am Friedrich Miescher Institut for Biomedical Research nun herausgefunden hat, senden viele Nervenzellen im Rückenmark ihre Befehle nicht nur in Richtung Muskulatur, sondern gleichzeitig über ein hochorganisiertes Netzwerk auch zurück an das Gehirn. Dieser gedoppelte Informationsfluss ist die Grundlage des Nervensystems für präziseste Bewegungen von Armen und Händen.

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Gehirnstammkern, der Informationen von Interneuronen aus dem Rückenmark sammelt (blau); Informationen einer funktionellen Interneuronen-Subgruppe fliesst in einem Teilareal zusammen (pink).
Gehirnstammkern, der Informationen von Interneuronen aus dem Rückenmark sammelt (blau); Informationen einer funktionellen Interneuronen-Subgruppe fliesst in einem Teilareal zusammen (pink).
(Bild: Universität Basel, Biozentrum)

Basel/Schweiz – Bewegung ist eine zentrale Fähigkeit von Mensch und Tier und ein hochkomplexes Zusammenspiel von Gehirn, Nerven und Muskeln. Insbesondere die Bewegung unserer Arme und Hände ist eine Koordinationsleistung mit höchster Präzision. Unaufhörlich sendet unser Gehirn über das Rückenmark dazu Befehle an unsere Muskeln, um verschiedenste Bewegungen auszuführen. Dieser Informationsstrom erreicht vom Gehirn aus Interneuronen im Rückenmark, welche dann diese Befehle über eine weitere Verschaltung zu Motoneuronen an Muskeln weiterleiten. Die Forschungsgruppe von Silvia Arber am Biozentrum der Universität Basel und am Friedrich Miescher Institut for Biomedical Research hat nun die Organisation eines zweiten Informationsweges aufgedeckt, den diese Befehle durchlaufen.

Cc. ans Gehirn: Ein Befehl – zwei Richtungen

Die Wissenschaftler konnten im Mausmodell zeigen, dass viele Interneuronen im Rückenmark die Befehle nicht nur via Motoneuronen an den jeweiligen Muskel, sondern zeitgleich auch noch eine Kopie dieser Information zurück ins Gehirn schicken. „Der Befehl zur Muskelbewegung wird also in zwei Richtungen verschickt. In die eine Richtung, um im Muskel die gewünschte Kontraktion auszulösen. In die andere Richtung, um das Gehirn zu informieren, dass der Befehl auch tatsächlich Richtung Muskulatur geschickt wird“, erklärt Chiara Pivetta, Erstautorin der Publikation. In Analogie mit einer verschickten Email wird also die Information nicht nur dem Empfänger, sondern auch dem Auftraggeber zugestellt.

Gehirnkern sammelt Informationen getrennt nach Funktionalität

Was geschieht nun mit der Information der Interneuronen aus dem Rückenmark im Gehirnstamm? Silvia Arbers Forschungsgruppe entdeckte, dass obwohl die Information der Interneuronen zur Ausführung der Bewegung beim Eintreffen auf Motoneuronen dort zusammengeführt wird, diese Information in einem Kern des Gehirnstamms nach Funktion aufgeteilt wird. Dabei fließen die Informationen funktionell unterschiedlicher Typen von Interneuronen in verschiedene Areale dieses Kerns. Es gibt somit eine funktionelle Trennung im Gehirnstamm: Man kann sich dies bildlich also so vorstellen, dass Informationen von Interneuronen des Rückenmarks, die beispielsweise die Links-Rechts-Koordination einer Bewegung beeinflussen, im Gehirn an einer anderen Stelle gesammelt werden, als diejenigen von Interneuronen, welche die Geschwindigkeit einer Bewegung beeinflussen.

Doppelter Informationsweg unterstützt die Feinmotorik

„Diese überaus präzise Rückkoppelung gewährleistet zu jeder Millisekunde, dass die Befehle richtig übermittelt werden und die gewünschte Folgebewegung über die Signale, die vom Rückenmark ans Gehirn zurück geschickt werden, bereits mit dem Gehirn koordiniert und angepasst wird“, so Arber. Interessanterweise haben die Wissenschaftler diese Art des Informationsflusses ins Gehirn nur für die Steuerung der Arme, nicht aber der Beine gefunden. „Das zeigt uns, dass dieser Informationsweg aller Wahrscheinlichkeit nach für die Feinmotorik wichtig ist. Im Vergleich zum Bein müssen die Bewegungen unseres Armes und insbesondere unserer Hände um ein Vielfaches präziser sein. Solch höchste Präzision kann unser Körper offensichtlich nur durch konstanten rückgekoppelten Informationsfluss gewährleisten“, erklärt Arber.

In weiteren Schritten möchte die Gruppe von Silvia Arber nun untersuchen, welche Auswirkungen es hat, wenn der Informationsfluss zurück ins Gehirn gestört ist. Da es Interneuronen gibt, die Bewegungen fördern, und andere, die Bewegungen verhindern, könnten solche Ergebnisse weitere Rückschlüsse auf die Regulation von Bewegungsabläufen liefern.

Originalpublikation: Chiara Pivetta, Maria Soledad Esposito, Markus Sigrist, and Silvia Arber, Motor-Circuit Communication Matrix from Spinal Cord to Brainstem Neurons Revealed by Developmental Origin, Cell, Volume 156, Issue 3, 537-548, 30 January 2014 | doi: 10.1016/j.cell.2013.12.014

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