Das „Getriebe“ für die Schwimmbewegungen

nMLF-Nervenzellen machen Fische schneller

Laufen wir eine Straße entlang, so können wir gemächlich schlendern, schnell gehen oder rennen. Die dafür notwendigen abwechselnden Bewegungen der Beine werden von speziellen Nervenzellansammlungen im Rückenmark kontrolliert. Woher diese zentralen Mustergeneratoren wissen, wie schnell die Beine bewegt werden müssen, ist unklar.

Blick ins Gehirn einer Zebrafischlarve. Die Nervenzellen der Netzhaut (grün) schicken ihre Verbindungen von den Augen (gelb) ins Gehirn. In Rot erscheinen die Zellen, die Gehirn und Rückenmark miteinander verbinden. (Bild: MPI f. Neurobiologie / Portugues)

Ein internationales Team um Wissenschaftler der Harvard Universität und des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie in Martinsried bei München haben nun einzelne Nervenzellen im Hirn von Zebrafischlarven gefunden, die die Schwimmgeschwindigkeit der Tiere steuern. Auch menschliche Bewegungen werden über zentrale Mustergeneratoren gesteuert. Die Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt, um rhythmische Bewegungen besser zu verstehen.

Schon in früher Kindheit lernen wir, die Füße in einem gleichmäßigen Rhythmus voreinander zu setzen. Einmal gelernt, sorgen kleine Nervenzellansammlungen im Rückenmark, die zentralen Mustergeneratoren, dafür, dass diese Abfolge nahezu automatisch läuft: Wir müssen nicht bei jedem Schritt neu überlegen, wann und wie weit wir den nächsten Fuß setzen. Einmal in Gang gesetzt schicken die Nervenzellen des zentralen Mustergenerators ihre Impulse auch ohne weitere Anstöße. Doch wie werden diese Zellen angeregt und woher wissen sie, wie schnell die Beine bewegt werden müssen?

Ruben Portugues und seine Kollegen haben an Zebrafischlarven untersucht, wie Gehirn und der zentrale Mustergenerator miteinander verbunden sind. Die Tiere verfügen über verschiedene Methoden, um ihre Geschwindigkeit zu erhöhen: Sie können länger mit ihrem Schwanz schlagen, den Schwanz stärker bewegen, die Zeit zwischen den Perioden mit Schwanzbewegungen verkürzen oder in einen ganz anderen Bewegungsrhythmus wechseln - ähnlich einem Pferd, das von Trab in den Galopp wechselt.

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Um zu verstehen, wie das Gehirn diese verschiedenen Schwimmarten auslöst, konzentrierten sich die Neurobiologen auf eine Gruppe von ca. 20 Nervenzellen, die ihre Fortsätze vom Mittelhirn ins Rückenmark aussenden. Es war bekannt, dass die Zellen dieser nMLF-Region während des Schwimmens aktiv sind. Nun konnten die Wissenschaftler zeigen, dass das Stimulieren dieser Zellen Schwimmbewegungen auslöst. Wie die Forscher nun im Fachjournal Neuron berichten, erhalten die Zellen des zentralen Mustergenerators den ersten Anstoß für eine Bewegung somit von Nervenzellen der nMLF-Region. Zudem fanden sie heraus, dass es den Fischen zudem nahezu unmöglich ist, die verschiedenen Schwimmarten ausführen, wenn vier bestimmte nMLF-Zellen ausgeschaltet werden.

Die Aktivität von Nervenzellen kann mit Hilfe von Calcium-empfindlichen Farbstoffen sichtbar gemacht werden. Da Zebrafischlarven durchsichtig sind, konnten die Wissenschaftler die Aktivität einzelner nMLF-Zellen direkt durch das Mikroskop beobachten. "Richtig spannend wurde es, als die Tiere dann zwischen den verschiedenen Geschwindigkeiten wechselten", berichtet Ruben Portugues, der seit kurzem eine Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für Neurobiologie leitet. "Wir hatten eigentlich erwartet, dass für schnelleres Schwimmen einfach mehr nMLF-Zellen gleichzeitig aktiv sind."

Stattdessen fanden die Wissenschaftler heraus, dass bereits aktive Nervenzellen beim schnelleren Schwimmen noch aktiver werden. "Wie eine höhere Aktivität im Detail zu schnelleren Bewegungen führt, wissen wir noch nicht", so Portugues. Die Wissenschaftler konnten jedoch zeigen, dass einzelne nMLF-Zellen, die sogenannten MeLR-Zellen, das Schwimmintervall und sogenannte MeLc-Zellen die Schlagfrequenz steuern.

Bisher waren die nMLF-Region und ihre Zellen zwar bekannt, doch niemand wusste, was sie steuern oder wie sie dies tun. "Nun, da wir sozusagen das Getriebe für die Schwimmbewegungen gefunden haben, ist die nächste Frage, wie und wo das Gehirn entscheidet, welchen Gang es einlegen möchte", fasst Ruben Portugues die nächste Herausforderung zusammen.

Originalpublikation:
Kristen Severi*, Ruben Portugues*, Joao Marques, Donald O'Malley, Michael Orger, Florian Engert (*gleichrangiger Beitrag): Neural control and modulation of swimming speed in the larval zebrafish, Neuron, 24 July 2014.

Ansprechpartner:
Dr. Stefanie Merker
Max-Planck-Institut für Neurobiologie, Martinsried
E-Mail: merker@neuro.mpg.de

Dr. Ruben Portugues
Max-Planck-Institut für Neurobiologie, Martinsried
E-Mail: rportugues@neuro.mpg.de

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