Das Kölner Forschungsteam untersucht die neuronalen Grundlagen der Bewegungserzeugung bei Tieren, insbesondere derjenigen, die der Fortbewegung, zum Beispiel dem Laufen, zu Grunde liegen. Dazu nutzt das Team unter der Leitung von Professor Dr. Ansgar Büschges unter anderem Insekten als Studienobjekte, da die Anforderungen an das Nervensystem bezüglich der Erzeugung und Kontrolle von Schreitbewegungen für alle Tiere im Prinzip sehr ähnlich sind. So findet man zum Beispiel über das Tierreich hinweg Netzwerke im Zentralnervensystem, welche der Erzeugung rhythmischer Aktivitätsmuster für viele Bewegungsformen zugrunde liegen, sei es für Fortbewegung wie Laufen, Schwimmen, Kriechen und Fliegen oder auch für vegetative Funktionen wie Atmung.
Diese hochspezialisierten Netzwerke werden als zentrale Mustergeneratoren (engl. central pattern generators/CPGs) bezeichnet. In Interaktion mit Informationen von Sinnesorganen, den sogenannten Propriozeptoren, welche Bewegungen und Belastungen an das Zentralnervensystem melden und sich im Falle des Laufens auf und in den Beinen befinden, erzeugen sie die rhythmische Aktivität der Muskulatur für Laufbewegungen. Dies tun die Netzwerke, indem sie diejenigen Neuronen aktivieren, die die Muskeln innervieren und motorische Neuronen, kurz Motoneuronen heißen. Bislang galt in der Forschung die Annahme, dass solche CPGs auf alle Motoneuronen, die sie ansteuern, den gleichen Einfluss haben. In ihrer neuen Studie haben Angelina Ruthe, Dr. Charalampos Mantziaris und Professor Büschges dieses lang existierende Dogma für das Laufsystem eines Insekts falsifiziert.
Dazu haben die Wissenschaftler*innen in ihren Experimenten die CPGs im Zentralnervensystem der Stabheuschrecke pharmakologisch aktiviert und deren Einfluss auf die Motoneurone untersucht, die die Beinmuskeln der Stabheuschrecke (Carausius morosus) innervieren. Sie stellten fest, dass alle Motoneurongruppen der Beinmuskulatur, bis auf eine, identische Eingänge von den Netzwerken erhalten: rhythmisch hemmende Signale von den zentralen Netzwerken. Nur die Motoneurone, die den Beinsenker innervieren, werden durch rhythmische Erregung angesteuert. Interessanterweise handelt es sich bei dem Beinsenkermuskel genau um den Muskel des Insektenbeins, der unabhängig von der Laufsituation für die Erzeugung der Stemmphase eines Schrittes verantwortlich ist – egal, ob das Tier in der Waagerechten, an der Decke oder auf einem Ast nach oben oder unten läuft. „Die rhythmische Erregung und damit die spezifische Aktivierung genau dieser Motoneurongruppe durch die CPGs könnte dazu dienen, das genaue Timing der Kontraktion des Beinsenkermuskels und damit den Start der Stemmphase und deren Stabilisation sicherzustellen“, erklärt Prof. Büschges.
Universität Köln
Originalpublikation:
Ruthe et al.: The synaptic drive of central pattern-generating networks to leg motor neurons of a walking insect is motor neuron pool specific, Current Biology (2024), doi.org/10.1016/j.cub.2024.01.026
