Die Rolle der cerebelloparietalen Projektion für die Bestimmung des kinematischen Zustands des Körpers

01.06.2021 bis 31.05.2024

Eine dominante Theorie im Feld der sensomotorischen Integration ist, dass sensorische
Signalflüsse mit prädiktiven Signalen von internen Modellen verglichen werden, um den
kinematischen Zustand des Körpers und seiner Gliedmaßen mit optimaler Präzision zu
bestimmen (Engl. ‚state estimation‘). Das interne Model erstellt hierzu eine Prädiktion von
sensorischen Konsequenzen einer geplanten Bewegung unter Ausnutzung der Efferenzkopie
des Motorkommandos und anderer kontextueller Signale. Es gibt sehr gute Evidenz dafür, dass
das Kleinhirn eine neurobiologische Realisierung von solchen internen Modellen darstellt.
Obwohl die nachgeschaltete Zustandsbestimmung ein klassisches Konzept ist, ist der Ort ihrer
Realisierung im Gehirn nicht bekannt. Gründe hierfür sind u.a. die anatomische Komplexität der
Kleinhirnprojektionen und die Möglichkeit, dass mehrere Varianten der Zustandsbestimmung im
Gehirn existieren könnten. Der Neokortex der Säugetiere berechnet zum Beispiel sehr
wahrscheinlich eine ähnliche Größe, die jedoch auf anderen Zeitskalen gilt, und andere
Lernsysteme und Verhaltenskontexte adressieren könnte. Über eine mögliche Interaktion
verschiedener prädiktiver Signale ist wenig bekannt.
Unser Fokus in diesem Projekt ist die zerebelläre Zustandsbestimmung, die sehr eng mit der
Generierung von Bewegungen verbunden ist. Die Ausgänge des Kleinhirns werden in massiver
Weise auf den sensomotorischen Kortex projiziert. Wir werden prädiktive Signale auf der
zerebello-parietalen Projektion mit extrazellulärer Multi-Neuron Elektrophysiologie verfolgen und
durch kausale Analyse mittels temporärem optogenetischem Block des Kleinhirns von kortikalen
Varianten trennen. Weiterhin werden wir ihre Interaktion mit bekannten prädiktiven Signalen des
Parietalkortex untersuchen. Hierfür haben wir ein neuartiges Werkzeug der
Verhaltensbeobachtung etabliert. Es übersetzt den klassischen Ansatz von Curtis Bell aus den
1980iger Jahren (den er für Untersuchungen im elektrischen Fisch eingesetzt hat) in einen
Ansatz mit verhaltenstrainierten Mäusen, die operante Tasthaarbewegungen ausführen. Diese
Strategie wird es uns erlauben, zerebelläre und kortikale Varianten der Prädiktion und
Zustandsbestimmung im sensomotorischen Thalamus und parietalen Kortex, welche Eingänge
aus der taktilen Peripherie und dem Kleinhirn erhalten, systematisch zu untersuchen.