13 BIOWISSENSCHAFTEN

Tätigkeiten bestimmten Nervenzellen zuordnen

Nervenverbindungen für Geschicklichkeit

Schreiben, Schrauben oder Dartwerfen, das sind nur einige Tätigkeiten, die ein hohes Mass an Geschicklichkeit erfordern. Wie das Gehirn solche feinmotorischen Meisterleistungen vollbringt, darüber berichten Forschende der Universität Basel und des Friedrich Miescher Instituts for Biomedical Research im Fachjournal «Nature».

Eine Karte der Schaltkreise im Hirnstamm verrät, welche Nervenverbindungen die Feinmotorik von Arm und Hand steuern. Ganz selbstverständlich nehmen wir einen Stift in die Hand und schreiben unseren Namen oder greifen nach der Gabel, um Spaghetti mit Tomatensauce zu essen. Den Stift richtig anzufassen oder die Spaghetti, ohne zu kleckern, zum Mund zu führen, erfordert präzise Armbewegungen und jede Menge Fingerfertigkeit.

Nervenzellen im Hirnstamm steuern Feinmotorik

Hinter all unseren Bewegungen verbirgt sich ein perfektes Zusammenspiel zwischen den Nervenzellen im Gehirn und Rückenmark und den Muskeln. Doch welche Verbindungen steuern die Feinmotorik der Arme, Hände und Finger? Dieser Frage ist das Team von Prof. Dr. Silvia Arber nachgegangen. Die Neurobiologen, die am Biozentrum der Universität Basel und am Friedrich Miescher Institut for Biomedical Research (FMI) forschen, beschäftigen sich schon lange damit, wie das Gehirn Bewegungsabläufe kontrolliert. Wie die Forschenden nun am Beispiel von Mäusen zeigen, ist eine bestimmte Region im Hirnstamm für verschiedene feinmotorische Tätigkeiten der Vorderpfoten verantwortlich. Für ihre Untersuchungen verwendeten sie sogenannte optogenetische und virale Methoden, um Nervenzellen zu markieren und ihre Aktivität bei bestimmten Bewegungen sicht- und messbar zu machen. So konnte das Team in dieser Region vier Gruppen von Nervenzellen lokalisieren und ihnen eine spezifische Funktion zuschreiben. So steuert eine Gruppe von Nervenzellen zum Beispiel das Ausstrecken der Pfote, eine andere das Greifen des Futters. Der Hirnstamm ist der entwicklungsgeschichtlich älteste Teil des Gehirns und geht fliessend ins Rückenmark über. Er ist eine wichtige Schaltzentrale zwischen den motorischen Zentren zur Bewegungsplanung im Gehirn und den Netzwerken für das Ausführen von Bewegungen im Rückenmark. Im Rückenmark befinden sich auch die Motoneuronen, die direkt mit Muskelzellen verbunden sind und die Kontraktion der Muskeln auslösen. Erst seit wenigen Jahren ist bekannt, dass der Hirnstamm aus vielen Regionen mit spezialisierten Nervenzellverbindungen besteht, die komplexe Bewegungsabläufe steuern.

Karte von Schaltkreisen für Feinmotorik

Arbers Team hat in ihrer Studie die räumliche Anordnung der Nervenverbindungen in einer dieser Regionen des Hirnstamms namens «lateral rostral medulla» (latRM) bestimmt und die Kommunikationswege nachgezeichnet. So konnten sie unterschiedliche Tätigkeiten einzelnen Gruppen von Nervenzellen zuordnen. «Einfachere Handlungen, wie das Ausstrecken der Vorderpfote zum Futter, erfolgen über spezifische latRM-Nervennetzwerke, welche direkt das Rückenmark ansteuern», erklärt Erstautor Ludwig Ruder. Das Ausführen komplexerer Bewegungen, die auch die Finger miteinschliessen, also das Greifen oder das Zum-Mund-Führen eines Futterstückchens, steuern insbesondere solche latRM-Neuronen, die mit Nervenzellen in anderen Regionen des Hirnstamms verknüpft sind. «Für die Fingerfertigkeit sind diese internen Verbindungen und Netzwerke unentbehrlich», sagt Arber. «Die Nervenzellpopulationen im latRM-Bereich kontrollieren ganz spezifisch die Feinmotorik der vorderen

Der Hirnstamm ist der entwicklungsgeschichtlich älteste Teil des Gehirns und geht fliessend ins Rückenmark über.

Gliedmassen. Aber nur indem die Nervenzellen verschiedener Regionen des Hirnstamms miteinander kommunizieren, gelingen so komplexe und präzise Bewegungsabläufe wie das Werfen, Greifen oder Schreiben.»

Kontrolle der Bewegungsabläufe

Die räumliche Trennung der Nervenzellpopulationen nach Aufgaben und ihre Verknüpfungen geben Aufschluss über die Organisation des Hirnstamms und die Steuerung von Körperbewegungen, in diesem Fall der Feinmotorik. Viele neuronale Schaltkreise des Hirnstamms sind in Mensch und Tier ähnlich, daher lassen sich Rückschlüsse darauf ziehen, welche Nervenzell-Populationen welche Bewegungen steuern oder wie Krankheiten und Verletzungen zu Einschränkungen der feinmotorischen Fähigkeiten führen können.

Medienmitteilung Universität Basel www.unibas.ch

Le nicotinamide adénine dinucléotide

Contre la maladie d’Alzheimer

Des scientifiques de l’EPFL ont découvert que des agrégats de protéines semblables à ceux dans la maladie d’Alzheimer sont à l’origine de la détérioration musculaire observée avec le vieillissement. Mais on peut agir contre les effets de ces agrégats en stimulant le taux de nicotinamide adénine dinucléotide (NAD+), ce qui active les systèmes de défense des mitochondries dans les cellules et rétablit la fonction musculaire.

Nik Papageorgiou ¹

Plus on vieillit, plus nos muscles s’affaiblissent, ce qui explique la fragilité et l’incapacité physique qui accompagnent la vieillesse. Cette détérioration musculaire, outre le fait qu’elle concerne chaque individu, représente une charge très lourde pour les systèmes publics de santé. Les travaux de recherche dans les processus biologiques et les biomarqueurs qui définissent le vieillissement musculaire n’ont pas encore permis de déterminer les causes sousjacentes. Une équipe de scientifiques du laboratoire de Johan Auwerx à la Faculté des sciences de la vie de l’EPFL s’est penchée sur la question sous un angle différent : les simi-

¹ EPFL, Lausanne Plus on vieillit, plus nos muscles s’affaiblissent.

litudes entre le vieillissement musculaire et les maladies musculaires dégénératives. Ils ont découvert que des agrégats de protéines se déposent dans les muscles du squelette pendant le vieillissement naturel, et qu’en les bloquant on peut prévenir les effets néfastes du vieillissement musculaire. Cette étude est publiée dans «Cell Reports».

Des nouveaux biomarqueurs

«Dans les maladies musculaires liées à l’âge, comme la myosite à inclusions, nos cellules luttent pour maintenir un pliage correct des protéines, amenant les protéines mal repliées à précipiter. Celles-ci forment des agrégats de protéines toxiques dans les muscles», explique Johan Auwerx. «Le composant principal de ces agrégats de protéines est la bêta-amyloïde, comme dans les plaques amyloïdes dans le cerveau des patients atteints de la maladie d’Alzheimer.» Dans cette étude, les scientifiques identifient les agrégats de protéines de type amyloïdes dans les muscles matures de différentes espèces, du nématode C. elegans aux êtres humains. Ils ont également découvert que ces agrégats dégradent la fonction mitochondriale. Bien qu’on ait suggéré que ces protéines agrégées contribuent au vieillissement du cerveau, c’est la première fois qu’on démontre qu’elles participent au vieillissement musculaire et dégradent directement les mitochondries. «Ces agrégats protéotoxiques anormaux pourraient servir de nouveaux biomarqueurs pour le processus de vieillissement, au-delà du cerveau et des muscles», ajoute Johan Auwerx. Mais est-il possible d’infléchir la formation des agrégats de protéines ? Pour y répondre, les chercheurs ont administré à des

Nicotinamide adénine dinucléotide (NAD+).

vers la vitamine nicotinamide riboside et l’anticancéreux Olaparib. Tous deux stimulent le taux de nicotinamide adénine dinucléotide (NAD+), une biomolécule essentielle au maintien de la fonction mitochondriale, et dont le taux décline au cours du vieillissement.

L’activation du système de contrôle

Chez les vers, les deux composés ont activé les systèmes de défense des mitochondries, même quand ils sont administrés à un âge avancé. L’activation du «système de contrôle qualité des mitochondries» a réduit les agrégats de protéines amyloïdes liés à l’âge et a amélioré la santé et l’espérance de vie des vers. Les scientifiques ont ensuite travaillé sur des tissus musculaires humains, prélevés de sujets âgés et de patients atteints de myosite à inclusions. L’activation des mêmes systèmes de contrôle qualité des mitochondries a engendré des améliorations similaires de l’homéostasie protéique et mitochondriale. Ces résultats encourageants ont amené les chercheurs à tester la nicotinamide riboside sur des souris âgées. Le traitement a également activé les systèmes de défense des mitochondries et a réduit le nombre et la taille des agrégats amyloïdes dans différents tissus musculaires du squelette. «Les médicaments qui stimulent le contrôle qualité des mitochondries peuvent donc être testés en phase clinique pour contrer les effets de ces agrégats protéotoxiques liés à l’âge et rajeunir les tissus», confie Mario Romani, le premier auteur de l’étude.

Communiqué EPFL www.epfl.ch

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