Warum bestimmte Körperteile so empfindlich sind

Forscher haben einen Mechanismus entdeckt, der erklären könnte, warum bestimmte Körperteile so empfindlich sind.

Einige Körperteile – zum Beispiel unsere Hände und Lippen – sind empfindlicher als andere, was sie zu einem unverzichtbaren Werkzeug für unsere Fähigkeit macht, die kompliziertesten Details der Welt um uns herum zu erkennen.

Diese Fähigkeit ist der Schlüssel zu unserem Überleben und ermöglicht es uns, unsere Umgebung sicher zu navigieren und neue Situationen schnell zu verstehen und darauf zu reagieren. Es überrascht vielleicht nicht, dass das Gehirn diesen sensiblen Hautoberflächen, die auf feine, diskriminierende Berührungen spezialisiert sind, viel Raum einräumt und über die sie innervierenden sensorischen Neuronen ständig detaillierte Informationen sammelt.

Doch wie kommt es durch die Verbindung von sensorischen Neuronen und dem Gehirn zu einer so außergewöhnlich empfindlichen Haut?

Eine neue Studie unter der Leitung von Forschern der Harvard Medical School hat einen Mechanismus enthüllt, der der höheren Empfindlichkeit bestimmter Hautregionen zugrunde liegen könnte.

Die an Mäusen durchgeführte und heute (11. Oktober 2021) veröffentlichte Studie in Zelle, zeigt, dass sich die Überrepräsentation empfindlicher Hautoberflächen im Gehirn in der frühen Adoleszenz entwickelt und auf den Hirnstamm zurückgeführt werden kann. Darüber hinaus bilden die sensorischen Neuronen, die die empfindlicheren Teile der Haut bevölkern und Informationen an den Hirnstamm weiterleiten, mehr und stärkere Verbindungen als Neuronen in weniger empfindlichen Teilen des Körpers.

„Diese Studie liefert ein mechanistisches Verständnis dafür, warum mehr Gehirnfläche für Hautoberflächen mit hoher Berührungsschärfe verwendet wird“, sagte Senior-Autor David Ginty, Edward R. und Anne G. Lefler Professor of Neurobiology an der Harvard Medical School. „Im Grunde ist es ein Mechanismus, der erklärt, warum man in den Körperteilen, die es brauchen, eine größere Sinnesschärfe hat.“

Während die Studie an Mäusen durchgeführt wurde, ist bei Säugetieren die Überrepräsentation empfindlicher Hautregionen im Gehirn zu beobachten, was darauf hindeutet, dass der Mechanismus auf andere Arten übertragbar sein könnte. Aus evolutionärer Sicht haben Säugetiere dramatisch unterschiedliche Körperformen, was sich in Sensibilität in verschiedenen Hautoberflächen niederschlägt. Menschen haben beispielsweise hochsensible Hände und Lippen, während Schweine mit hochsensiblen Schnauzen die Welt erkunden. Daher glaubt Ginty, dass dieser Mechanismus die Entwicklungsflexibilität für verschiedene Arten bieten könnte, um Empfindlichkeit in verschiedenen Bereichen zu entwickeln.

Darüber hinaus könnten die Ergebnisse, obwohl sie grundlegend sind, eines Tages dazu beitragen, die Berührungsanomalien zu beleuchten, die bei bestimmten neurologischen Entwicklungsstörungen beim Menschen beobachtet werden.

Wissenschaftler wissen seit langem, dass bestimmte Körperteile im Gehirn überrepräsentiert sind – wie die sensorische Karte des Gehirns, den somatosensorischen Homunkulus, darstellt, eine schematische Darstellung der menschlichen Körperteile und der entsprechenden Bereiche im Gehirn, in denen Signale von diesen Körperteilen verarbeitet werden. Die auffällige Illustration umfasst cartoonhaft übergroße Hände und Lippen. Bisher dachte man, dass die Überrepräsentation empfindlicher Hautregionen im Gehirn auf eine höhere Dichte von Neuronen zurückgeführt werden könnte, die diese Hautareale innervieren. Frühere Arbeiten des Ginty-Labors zeigten jedoch, dass empfindliche Haut zwar mehr Neuronen enthält, diese zusätzlichen Neuronen jedoch nicht ausreichen, um den zusätzlichen Gehirnraum zu berücksichtigen.

“Wir haben festgestellt, dass es im Vergleich zu unseren Erwartungen eine eher magere Anzahl von Neuronen gibt, die die empfindliche Haut innervieren”, sagte Co-Erstautor Brendan Lehnert, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Neurobiologie, der die Studie ebenfalls mit Celine Santiago leitete ein wissenschaftlicher Mitarbeiter im Ginty-Labor.

„Es hat einfach nicht gepasst“, fügte Ginty hinzu.

Um diesen Widerspruch zu untersuchen, führten die Forscher eine Reihe von Experimenten an Mäusen durch, bei denen das Gehirn und die Neuronen abgebildet wurden, während Neuronen auf unterschiedliche Weise stimuliert wurden. Zunächst untersuchten sie, wie unterschiedliche Hautregionen während der gesamten Entwicklung im Gehirn dargestellt werden. Zu Beginn der Entwicklung wurde die empfindliche, haarlose Haut an der Pfote einer Maus proportional zur Dichte der sensorischen Neuronen dargestellt. Zwischen der Adoleszenz und dem Erwachsenenalter war diese empfindliche Haut jedoch im Gehirn zunehmend überrepräsentiert, obwohl die Neuronendichte stabil blieb – eine Verschiebung, die bei weniger empfindlicher, behaarter Pfotenhaut nicht zu beobachten war.

„Dies hat uns sofort gesagt, dass mehr als nur die Dichte der Innervation von Nervenzellen in der Haut für diese Überrepräsentation im Gehirn verantwortlich ist“, sagte Ginty.

„Es war wirklich unerwartet, Veränderungen zu diesen postnatalen Entwicklungszeitpunkten zu sehen“, fügte Lehnert hinzu. „Dies könnte nur eine von vielen Veränderungen in der postnatalen Entwicklung sein, die wichtig sind, um die taktile Welt um uns herum darzustellen und die Fähigkeit zu erlangen, Objekte in der Welt durch die sensorische motorische Schleife zu manipulieren, für die Berührung ein so besonderer Teil ist.“ .“

Als nächstes stellte das Team fest, dass der Hirnstamm – die Region an der Basis des Gehirns, die Informationen von sensorischen Neuronen an anspruchsvollere Gehirnregionen höherer Ordnung weiterleitet – der Ort ist, an dem die vergrößerte Darstellung empfindlicher Hautoberflächen auftritt. Diese Erkenntnis führte die Forscher zu der Erkenntnis: Die Überrepräsentation empfindlicher Haut muss aus den Verbindungen zwischen sensorischen Neuronen und Hirnstammneuronen entstehen.

Um noch weiter zu untersuchen, verglichen die Wissenschaftler die Verbindungen zwischen sensorischen Neuronen und Hirnstammneuronen für verschiedene Arten von Pfotenhaut. Sie fanden heraus, dass diese Verbindungen zwischen Neuronen bei empfindlicher, haarloser Haut stärker und zahlreicher waren als bei weniger empfindlicher, behaarter Haut. Daraus schloss das Team, dass die Stärke und Anzahl der Verbindungen zwischen Neuronen eine Schlüsselrolle bei der Überrepräsentation empfindlicher Haut im Gehirn spielen. Selbst wenn sensorische Neuronen in empfindlicher Haut nicht stimuliert wurden, entwickelten Mäuse immer noch eine erweiterte Darstellung im Gehirn – was darauf hindeutet, dass der Hauttyp und nicht die Stimulation durch Berührung im Laufe der Zeit diese Gehirnveränderungen verursacht.

„Wir glauben, dass wir eine Komponente dieser Vergrößerung entdeckt haben, die für die unverhältnismäßige zentrale Darstellung des Sinnesraums verantwortlich ist“, sagte Ginty. „Dies ist eine neue Art, darüber nachzudenken, wie diese Vergrößerung zustande kommt.“

Als nächstes wollen die Forscher untersuchen, wie verschiedene Hautregionen den Neuronen, die sie innervieren, mitteilen, dass sie unterschiedliche Eigenschaften annehmen, beispielsweise mehr und stärkere Verbindungen bilden, wenn sie empfindliche Haut innervieren. “Was sind die Signale?” fragte Ginty. „Das ist eine große, große mechanistische Frage.“

Und während Lehnert die Studie als rein von Neugier getrieben beschreibt, stellte er fest, dass es beim Menschen eine weit verbreitete Klasse von neurologischen Entwicklungsstörungen gibt, die als Entwicklungskoordinationsstörungen bezeichnet werden und die die Verbindung zwischen Berührungsrezeptoren und dem Gehirn beeinflussen – und daher von einer weiteren Aufklärung des Zusammenspiels zwischen die Zwei.

„Dies ist eine von vielen Studien, die auf mechanistischer Ebene Veränderungen der Körperdarstellung im Laufe der Entwicklung untersuchen“, sagt Lehnert. „Celine und ich glauben beide, dass dies irgendwann in der Zukunft zu einem besseren Verständnis bestimmter neurologischer Entwicklungsstörungen führen könnte.“

Referenz: 11. Oktober 2021, Zelle.
DOI: 10.1016/j.cell.2021.09.023

Zu den Co-Forschern gehörten Erica L. Huey, Alan J. Emanuel, Sophia Renauld, Nusrat Africawala, Ilayda Alkislar, Yang Zheng, Ling Bai, Charalampia Koutsioumpa, Jennifer T. Hong, Alexandra R. Magee, Christopher D. Harvey von der Harvard Medical School .

Die Forschung wurde von den National Institutes of Health (F32 NS095631-01, F32-NS106807, K99 NS119739, DP1 MH125776, R01 NS089521 und R01 NS97344), einem William Randolph Hearst Fellowship, einem Goldenson Fellowship, einem Harvard Medical School Dean’s Innovation . unterstützt Grant in den Grundlagen- und Sozialwissenschaften und dem Edward R. and Anne G. Lefler Center for the Study of Neurodegenerative Disorders.


Source: SciTechDaily by scitechdaily.com.

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