Die Ergebnisse, veröffentlicht im Peer-Review-Journal eNeurogeben einen Einblick in die neuronalen Mechanismen des motorischen Lernens, die dazu beitragen können, effektivere Hirnstimulationstherapien für Patienten mit motorischer Behinderung nach einem Schlaganfall zu ermöglichen.
„Eine der Hauptbeschwerden von Schlaganfallpatienten ist, dass sie den Greifvorgang nicht abschließen können“, sagte Tanuj Gulati, PhD, Assistenzprofessor für Neurologie und biomedizinische Wissenschaften am Center for Neural Science and Medicine in Cedars-Sinai und leitender und korrespondierender Autor des lernen. „Viele Patienten können mit etwas Genesung vielleicht das gewünschte Ziel erreichen, aber sie sind nicht in der Lage, es genau zu erfassen. Wir wollen also verstehen, wie das Gehirn Bewegungen erzeugt und neue Geschicklichkeits-/Feinmotorikfähigkeiten erlernt, damit wir dies können möglicherweise neue Behandlungsstrategien entwickeln, um diese Behinderungen zu reparieren.“
Um die Veränderungen im Gehirn im Verlauf des motorischen Lernens besser zu verstehen, untersuchten die Forscher die physiologische Aktivität des Gehirns im motorischen Kortex und im Kleinhirn von Ratten, während sie eine geschickte Greifaufgabe übten.
Der motorische Kortex, der Hauptantrieb aller Bewegungen, steuert die Armbewegung, indem er eine Vielzahl von Zielen im Nervensystem rekrutiert. Eine grundlegende Projektion des motorischen Kortex ist das Kleinhirn, der Teil des Gehirns, der mehr als die Hälfte der Neuronen des gesamten Körpers enthält.
Die Aktivität zwischen dem motorischen Kortex und dem Kleinhirn, die entsteht, wenn eine feinmotorische Fähigkeit erlernt wird, ist jedoch nicht allgemein bekannt.
Unter Verwendung gesunder Ratten zeichneten die Forscher chronisch aus dem motorischen Kortex und dem zerebellären Kortex auf, wie die Tiere fünf Tage lang darauf trainiert wurden, eine feinmotorische Aufgabe auszuführen, bei der sie nach einem entfernt von ihnen platzierten Zuckerkügelchen griffen. Die Ratten mussten nach dem Pellet greifen, es greifen und es für einen erfolgreichen Abschluss des Versuchs herausholen.
Das Team verglich dann die neuronale Aktivität von den frühen Tagen des Trainings mit den späten Tagen, um zu sehen, was sich im Gehirn veränderte, als die Nagetiere die Aufgabe beherrschten.
Die Forscher entdeckten, dass die Ratten, als sie die Aufgabe beherrschten, in den beiden aufgezeichneten Bereichen, die mit der Konsolidierung der Fähigkeiten über die Netzwerke des motorischen Kortex und des Kleinhirns auftauchten, synchrone niederfrequente oszillierende Aktivitäten entwickelten. Diese Aktivität koordinierte auch das neurale Spiking in diesen beiden Regionen für eine erfolgreiche Ausführung von Reach-to-Grasp-Aufgaben.
Interessanterweise beobachtete das Team nicht das Auftreten von niederfrequenter Schwingungsaktivität bei den Ratten, die innerhalb der fünf Tage keine Erfahrung mit der Aufgabe gesammelt hatten.
„Wir konnten zeigen, dass diese Aktivität ein Marker für das Erlernen von Fähigkeiten ist“, sagte Gulati. „Das Verständnis dieser Mechanismen in einem gesunden Gehirn ist ein wichtiger Vorläufer, um zu überprüfen, ob eine ähnliche Aktivität im Gehirn nach einem Schlaganfall geschwächt ist, und kann als Biomarker während der Genesung dienen. Diese Aktivität kann dann ein Ziel für elektrische Stimulationsansätze sein, um die motorische Erholung danach zu fördern ein Schlaganfall.“
Gulati arbeitet nun daran, diese Arbeit bei Schlaganfall-Ratten zu wiederholen, um zu sehen, ob diese koordinierte niederfrequente Aktivität im motorischen Kortex und Kleinhirn bei den Tieren nach einem Schlaganfall schwach wird und wieder aufflammt, wenn die Ratten ihre Greif- und Greiffähigkeiten wiedererlangen.
Andere Cedars-Sinai-Autoren sind Pierson Fleischer, PhD; Aamir Abbasi, PhD; Andrew Fealy; Nathan Danielsen; Ramneet Sandhu; und Philipp Raj.