Wie das Gehirn den Handlungsdrang im Zaum hält

Zusammenfassung: Die Forscher identifizierten eine Gehirnregion, die für das Antreiben von Handlungen verantwortlich ist, und eine andere, die Handlungen unterdrückt. Die Studie berichtet, dass impulsives Verhalten durch die Aktivierung dieser Bereiche ausgelöst oder unterdrückt werden kann.

Quelle: Champalimaud Zentrum für das Unbekannte

Es ist das letzte Rennen. Acht Athleten sind auf der Bahn aufgereiht, die Füße gespannt gegen die Startblöcke gestemmt. Sie hören den Countdown: „Auf die Plätze!“, „Fertig“, und dann, den Bruchteil einer Sekunde vor dem Schuss, springt ein Läufer nach vorne und disqualifiziert sich vom Wettbewerb. In solchen Momenten kommt ein häufig übersehener Aspekt des Verhaltens – die Unterdrückung von Handlungen – schmerzlich ans Licht.

Eine Studie, die heute in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Natur deckt auf, wie das Gehirn uns davon abhält, die Waffe zu überspringen.

„Wir haben einen Gehirnbereich entdeckt, der für das Fahren verantwortlich ist, und einen anderen, der diesen Antrieb unterdrückt. Wir könnten auch impulsives Verhalten auslösen, indem wir Neuronen in diesen Bereichen manipulieren“, sagte der Hauptautor der Studie, Joe Paton, Direktor des Champalimaud Neuroscience Program in Portugal.

Ein Rätsel lösen

Patons Team machte sich daran, ein Rätsel anzugehen, das sich teilweise aus der Parkinson- und der Huntington-Krankheit ergab. Diese Zustände manifestieren sich als Bewegungsstörungen mit weitgehend entgegengesetzten Symptomen. Während Huntington-Patienten unter unkontrollierten, unwillkürlichen Bewegungen leiden, kämpfen Parkinson-Patienten mit der Einleitung von Handlungen. Insbesondere sind beide Zustände auf eine Funktionsstörung derselben Gehirnregion zurückzuführen: der Basalganglien. Wie kann dieselbe Struktur widersprüchliche Funktionen unterstützen?

Laut Paton ergab sich ein wertvoller Hinweis aus früheren Studien, die zwei Hauptschaltkreise in den Basalganglien identifizierten: den direkten und den indirekten Weg. Es wird angenommen, dass die Aktivität des direkten Wegs die Bewegung fördert, der indirekte Weg sie jedoch unterdrückt. Die genaue Art und Weise, wie dieses Zusammenspiel durchgeführt wird, war jedoch weitgehend unbekannt.

Eine Timing-Aufgabe mit einem Twist

Paton ging das Problem auf originelle Weise an. Während frühere Studien die Basalganglien während der Bewegung untersuchten, konzentrierte sich Patons Team stattdessen auf die aktive Unterdrückung von Handlungen.

Das Team entwarf eine Aufgabe, bei der Mäuse bestimmen mussten, ob ein Intervall zwischen zwei Tönen länger oder kürzer als 1,5 Sekunden war. Wenn es kürzer wäre, würde eine Belohnung auf der linken Seite der Box bereitgestellt werden, und wenn es länger wäre, würde es auf der rechten Seite verfügbar sein.

„Der Schlüssel war, dass die Maus in der Zeit zwischen den beiden Tönen absolut still bleiben musste“, sagte Bruno Cruz, ein Doktorand im Labor. „Selbst wenn das Tier sicher war, dass die 1,5-Sekunden-Marke überschritten war, musste es den Bewegungsdrang bis nach dem zweiten Ton unterdrücken und erst dann zur Belohnung gehen.“

Bildnachweis: Champalimaud Center for the Unknown

Die Forscher verfolgten die neuronale Aktivität beider Bahnen, während die Maus die Aufgabe ausführte. Wie in früheren Studien waren die Aktivitätsniveaus ähnlich, wenn sich die Maus bewegte. Die Dinge änderten sich jedoch während der Aktionsunterdrückungsperiode.

„Interessanterweise waren im Gegensatz zu der Koaktivierung, die wir und andere während der Bewegung beobachtet haben, die Aktivitätsmuster über die beiden Wege während der Aktionsunterdrückungsperiode auffallend unterschiedlich. Die Aktivität des indirekten Wegs war insgesamt höher und nahm kontinuierlich zu, während die Maus auf den zweiten Ton wartete“, sagte Cruz.

Nach Ansicht der Autoren legt diese Beobachtung nahe, dass der indirekte Weg die Verhaltensziele des Tieres flexibel unterstützt. „Mit der Zeit wird die Maus immer zuversichtlicher, dass sie sich in einem „Langzeit-Intervall“-Versuch befindet. Und so wird sein Bewegungsdrang immer schwieriger zu bändigen. Es ist wahrscheinlich, dass dieser kontinuierliche Anstieg der Aktivität diesen internen Kampf widerspiegelt“, erklärte Cruz.

Inspiriert von dieser Idee testete Cruz die Wirkung der Hemmung des indirekten Wegs. Diese Manipulation führte dazu, dass sich die Mäuse häufiger impulsiv verhielten, was die Anzahl der Versuche, bei denen sie vorzeitig zum Belohnungshafen schossen, erheblich erhöhte. Mit diesem innovativen Ansatz hat das Team effektiv einen „Impulsivitätsschalter“ aufgedeckt.

„Diese Entdeckung hat weitreichende Auswirkungen“, überlegte Paton. „Neben der klaren Relevanz für Parkinson und die Huntington-Krankheit bietet es auch eine einzigartige Gelegenheit, Bedingungen der Impulskontrolle wie Sucht und Zwangsstörungen zu untersuchen.“

Auf der Suche nach dem Antrieb zum Handeln

Das Team identifizierte eine Gehirnregion, die den Handlungstrieb aktiv unterdrückt, aber woher kommt dieser Trieb? Da angenommen wird, dass der direkte Weg Maßnahmen fördert, war der unmittelbare Verdächtige der direkte Weg derselben Region. Das Verhalten der Maus blieb jedoch praktisch unbeeinflusst, wenn die Forscher es hemmten.

„Wir wussten, dass die Mäuse einen starken Handlungsdrang verspürten, weil das Entfernen der Unterdrückung impulsives Handeln förderte. Aber es war nicht sofort klar, wo sonst der Ort der Aktionsförderung sein könnte. Um diese Frage zu beantworten, haben wir uns entschieden, uns der Computermodellierung zuzuwenden“, erinnert sich Paton.

„Mathematische Modelle sind äußerst nützlich, um komplexe Systeme wie dieses zu verstehen“, fügte Gonçalo Guiomar, ein Doktorand im Labor, hinzu.

Dies zeigt ein Gehirn
Laut Paton ergab sich ein wertvoller Hinweis aus früheren Studien, die zwei Hauptschaltkreise in den Basalganglien identifizierten: den direkten und den indirekten Weg. Das Bild ist gemeinfrei

„Wir haben gesammeltes Wissen über die Basalganglien mathematisch formuliert und getestet, wie das System Informationen verarbeitet. Wir haben dann die Vorhersage des Modells mit Beweisen aus früheren Studien kombiniert und einen vielversprechenden neuen Kandidaten identifiziert: das dorsomediale Striatum.“

Die Hypothese des Teams war richtig. Die Hemmung von Neuronen des direkten Weges in dieser neuen Region reichte aus, um das Verhalten der Maus zu verändern. „Beide Regionen, aus denen wir Aufnahmen gemacht haben, befinden sich in einem Teil der Basalganglien namens Striatum. Der erste Bereich ist zuständig für die sogenannten „low-level“ motorischen und sensorischen Funktionen und der zweite für „high-level“ Funktionen wie Entscheidungsfindung“, erklärte Guiomar.

Von der Aktion zur Versuchung und darüber hinaus

Die Autoren argumentieren, dass ihre Ergebnisse der allgemeinen Wahrnehmung widersprechen, wie die Basalganglien funktionieren, die zentralisierter ist, und dass ihr Modell eine neue Perspektive auf die Funktionsweise der Basalganglien bietet.

„Unsere Studie zeigt, dass es potenziell mehrere neuronale Schaltkreise im Gehirn gibt, die ständig darum konkurrieren, welche Aktion als nächstes ausgeführt werden soll. Diese Erkenntnis ist wichtig, um besser zu verstehen, wie dieses System funktioniert, was für die Behandlung bestimmter Bewegungsstörungen unerlässlich ist, aber es geht noch weiter“, sagte Paton.

„Beobachtungen aus den Neurowissenschaften bilden den Kern vieler maschineller Lern- und KI-Techniken. Die Idee, dass die Entscheidungsfindung durch die Interaktion zahlreicher paralleler Schaltkreise innerhalb desselben Systems erfolgen kann, könnte sich als nützlich erweisen, um neue Arten intelligenter Systeme zu entwerfen“, fügte er hinzu.

Schließlich schlägt Paton vor, dass vielleicht einer der einzigartigsten Aspekte der Studie ihre Fähigkeit ist, auf innere kognitive Erfahrungen zuzugreifen.

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„Impulsivität, Versuchung… Diese inneren Prozesse gehören zu den faszinierendsten Dingen, die das Gehirn tut, weil sie unser Innenleben widerspiegeln. Aber sie sind auch am schwierigsten zu studieren, weil sie nicht viele äußere Zeichen haben, die wir messen können.

„Die Einrichtung dieser neuen Methode war eine Herausforderung, aber jetzt haben wir ein leistungsfähiges Werkzeug, um interne Mechanismen zu untersuchen, wie zum Beispiel diejenigen, die daran beteiligt sind, Versuchungen zu widerstehen und ihr zu erliegen“, schloss Paton.

Über diese Neuigkeiten aus der neurowissenschaftlichen Forschung

Autor: Pressebüro
Quelle: Champalimaud Zentrum für das Unbekannte
Kontakt: Pressestelle – Chamaplimaud Center for the Unknown
Bild: Das Bild ist gemeinfrei

Originalforschung: Geschlossener Zugang.
Die Aktionsunterdrückung enthüllt die parallele Kontrolle des Gegners über striatale Schaltkreise“ von Joseph Paton et al. Natur


Abstrakt

Die Aktionsunterdrückung enthüllt die parallele Kontrolle des Gegners über striatale Schaltkreise

Es wird klassischerweise angenommen, dass die direkten und indirekten Bahnen der Basalganglien die Wirkung fördern bzw. unterdrücken. Die beobachtete Co-Aktivierung von striatalen direkten und indirekten mittleren Stachelneuronen (dMSNs bzw. iMSNs) hat diese Ansicht in Frage gestellt.

Hier untersuchen wir diese Schaltungen bei Mäusen, die eine Intervallkategorisierungsaufgabe ausführen, die eine Reihe von selbst initiierten und cued-Aktionen und, was entscheidend ist, eine anhaltende Periode dynamischer Aktionsunterdrückung erfordert.

Obwohl Bewegung die Co-Aktivierung von iMSNs und dMSNs im sensomotorischen, dorsolateralen Striatum (DLS) erzeugte, zeigten Faserphotometrie und photoidentifizierte elektrophysiologische Aufzeichnungen Signaturen eines funktionellen Gegensatzes zwischen den beiden Signalwegen während der Aktionsunterdrückung.

Bemerkenswerterweise zeigte die optogenetische Hemmung, dass DLS-Schaltkreise weitgehend daran beteiligt waren, Aktionen zu unterdrücken – und nicht zu fördern. Insbesondere wurden iMSNs auf einer bestimmten Hemisphäre dynamisch eingebunden, um verlockende kontralaterale Aktionen zu unterdrücken.

Um zu verstehen, wie eine solche regional spezifische Schaltungsfunktion entstanden ist, haben wir ein computergestütztes Reinforcement-Learning-Modell konstruiert, das Schlüsselmerkmale von Verhalten, neuronaler Aktivität und optogenetischer Hemmung reproduziert.

Das Modell sagte voraus, dass parallele striatale Schaltkreise außerhalb des DLS die handlungsfördernden Funktionen erlernten und die Versuchung zum Handeln erzeugten. In Übereinstimmung damit zeigten optogenetische Hemmungsexperimente, dass dMSNs im assoziativen, dorsomedialen Striatum im Gegensatz zu denen im DLS kontralaterale Aktionen fördern.

Diese Daten zeigen, wie gegnerische Interaktionen zwischen mehreren kreislauf- und regionenspezifischen Basalganglienprozessen zu einer Verhaltenskontrolle führen können, und legen eine entscheidende Rolle für den indirekten sensomotorischen Weg bei der proaktiven Unterdrückung verlockender Handlungen fest.

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