Bewegungen erfordern nicht nur die Kommunikation des Nervensystems mit den Muskeln, sondern auch umgekehrt. Kölner Forschung zeigt, was alles zusammen kommen muss, damit der Körper ganz alltägliche Aufgaben bewältigen kann.
Von Robert Hahn
Ob Gehen, Balancieren oder den Tango tanzen – wenn man sich die neuronale Kontrolle von Bewegungen anschaut, funktioniert alles im Prinzip ähnlich: Sensorische Signale informieren das Nervensystem über aktuelle Bewegungen, erzeugte Kräfte und auftretende Belastungen. Das Nervensystem verarbeitet die Informationen und übersetzt sie in Kommandos an den Muskelskelettapparat, zum Beispiel die Muskulatur der Arme oder Beine, um die Körperhaltung aufrecht zu erhalten oder Bewegungen zu erzeugen. Erkennbar ist dies schon in vermeintlich einfachen Fällen, wie etwa dem Stehen, wobei eine bestimmte Körperhaltung gegenüber der Schwerkraft und anderen äußeren Einwirkungen, zum Beispiel Bewegungen des Untergrunds, konstant gehalten wird – fast jeder kennt den Balanceakt, der nötig ist, um in einer fahrenden Bahn zu stehen.
Bisher war unbekannt, wie im Nervensystem von Tieren und auch Menschen die unterschiedlichen beteiligten sensorischen Signale verarbeitet und zusammengebracht werden. Corinna Gebehart hat nun in ihrer Doktorarbeit am Institut für Zoologie diese Signale von Stabheuschrecken von ihrem Eintritt ins Nervensystem bis hin zur Aktivierung der Muskulatur verfolgt. Die Ergebnisse zeigen: Die Nervennetzwerke, die die unterschiedlichen Signale verarbeiten, überlappen viel stärker als gedacht.
Professor Dr. Ansgar Büschges, der die Arbeit von Dr. Gebehart betreut hat, beschäftigt sich schon seit gut vierzig Jahren mit der Neurobiologie der Bewegungskontrolle. Seither trägt er dazu bei, neue Erkenntnisse zu schaffen – und auch bestehende Vorstellungen über die Funktion von Nervennetzwerken über Bord zu werfen. Die neuesten Ergebnisse zu den Grundlagen der Funktion von Nervennetzwerken, die Körperhaltung und Bewegung erst ermöglichen, sind vor Kurzem in der renommierten Zeitschrift »Current Biology« erschienen.
Wo bin ich, wie bin ich und was tue ich gerade?
Tiere sind immer darüber informiert, welche Belastungen auf ihren Körper wirken, welche Bewegungen er gerade ausführt oder welche Lage er im Raum einnimmt. Sinnesorgane und deren Sinneszellen vermitteln die Reize, die auf die Gliedmaßen und den Rumpf des Tieres wirken, zum zentralen Nervensystem. Diese Sinnesorgane im Körper, die Propriozeptoren, befinden sich bei Wirbeltieren wie bei uns Menschen im Muskelgewebe, den Gelenkkapseln und in der Unterhaut. Bei wirbellosen Tieren wie Insekten gibt es ganz ähnliche Sinnesorgane, die wegen des Exoskeletts der Tiere anders organisiert sind, aber die gleichen Informationen senden. Ihre Signale ermöglichen erst eine stabile aufrechte Haltung und kontrollierte Bewegungen.
Gebehart und Büschges untersuchten anhand der Stabheuschrecke, wie die Signale dieser Sinnesorgane bei Belastung und Bewegung des Beins und des Kniegelenks im Nervensystem verarbeitet werden und schlussendlich Haltung und Bewegung kontrollieren. Ein Sinnesorgan meldet zum Beispiel, wenn das Bein gebeugt wird, ein anderes meldet Belastungen des Beins. »Wir waren von der These ausgegangen, dass wir für beide Sinnesmodalitäten separate Netzwerke und Signalkaskaden finden würden«, sagt Ansgar Büschges. Doch die Ergebnisse zeigten in eine andere Richtung: »Bewegungs- und Kraftinformation teilen sich mit Eintritt ins Zentralnervensystem und seiner Netzwerke alle Informationswege.« Gebehart fügt hinzu: »Bisher hatten wir in der Forschungsgemeinschaft die Signale der verschiedenen Sinnesorgane getrennt oder einzeln betrachtet. Unsere Eingangsfrage war daher: Wie werden diese beiden Reize im Nervensystem zusammengebracht?«
Wie wirken die Reize aufeinander?
Nun lautete die Frage: Wie wird Information, die zum Teil gegenläufige Einflüsse auf die Muskelaktivität hat – etwa gleichzeitiges Beugen und Belasten eines Beines – miteinander »verrechnet«? Die Kölner Neurobiolog*innen folgten dem Verlauf der Verarbeitung der beiden Signale: von den Nervenzellen in den Sinnesorganen über das verarbeitende Netzwerk im Nervensystem mit einer Vielzahl parallel arbeitender Informationswege bis hin zu den Motoneuronen, die die Muskeln und so die Körperhaltung kontrollieren. Beide Signale treten häufig zusammen auf – schon beim Stehen, aber auch beim Laufen. »Nur im Kontext von Bewegung oder Belastung ergibt das jeweils andere Signal Sinn für das Tier«, erklärt Gebehart.
Um herauszufinden, wie die beiden Signale aufeinander einwirken, stimulierten die Wissenschaftler*innen im Bein einer Stabheuschrecke einzelne Sinnesorgane mit den jeweiligen Reizen – Bewegung und Belastung. Sobald Belastung und Bewegung gleichzeitig auftraten, wurde der Bewegungsreflex gehemmt. Wir kennen es vom Kniesehnenreflex, der mit dem Gummihammer ausgelöst wird. Er funktioniert nur, wenn das Bein frei schwingt und nicht belastet wird. Ohne Belastungssignale kann sich der Einfluss der Bewegungssignale ungehemmt entfalten.
Die Forscher*innen ermittelten zudem exakt die Stelle in den neuronalen Netzwerken, an der der hemmende Einfluss von Belastungssignalen auf Bewegungssignale wirksam wird: In der sogenannten präsynaptischen afferenten Hemmung. Dieser Mechanismus findet nah an den Stellen der Signalübertragung von den Sinneszellen auf nachgeschaltete Nervenzellen statt, an den Enden der Axone der Sinneszellen kurz vor der Synapse, dem Ort der Übertragung von Information von einer Zelle auf die nächste.
Durch eine gemeinsame Verarbeitung spart sich das Nervensystem die Notwendigkeit, für jede Aufgabe oder jeden Reiz ein spezifisches Netzwerk parat zu haben – eine Lösung, die auch in Hinblick auf die Evolution eine Rolle spielen kann, so Büschges: »Früher hatte man die Vorstellung von einer strengen Aufgabenspezifität von Nervennetzwerken. Das ist nach allem, was wir heute wissen, nur auf absolute Ausnahmen beschränkt.«
Die Ergebnisse zur gemeinsamen Verarbeitung von propriozeptiven Signalen im Nervensystem der Stabheuschrecke zeigen den Forscher*innen zufolge nicht nur, woher die Stabheuschrecke weiß, was ihre Beine gerade machen. »Sie erlauben uns einen Einblick in mögliche generelle Mechanismen der Signalverarbeitung in Nervensystemen – sei es in der Stabheuschrecke, der Maus, oder uns Menschen«, schlussfolgert Gebehart.
Weitere Informationen:
Institut für Zoologie
AG Professor Dr. Ansgar Büschges