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Highlights
• Dopamine receptor-1 activation induces TrkB cell-surface expression in striatal neurons
• Dopaminergic deficits cause TrkB accumulation and clustering in the ER
• TrkB clusters colocalize with cargo receptor SORCS-2 in direct pathway striatal neurons
• Intracellular TrkB clusters fail to fuse with lysosomes after dopamine depletion
Summary
Disturbed motor control is a hallmark of Parkinson’s disease (PD). Cortico-striatal synapses play a central role in motor learning and adaption, and brain-derived neurotrophic factor (BDNF) from cortico-striatal afferents modulates their plasticity via TrkB in striatal medium spiny projection neurons (SPNs). We studied the role of dopamine in modulating the sensitivity of direct pathway SPNs (dSPNs) to BDNF in cultures of fluorescence-activated cell sorting (FACS)-enriched D1-expressing SPNs and 6-hydroxydopamine (6-OHDA)-treated rats. DRD1 activation causes enhanced TrkB translocation to the cell surface and increased sensitivity for BDNF. In contrast, dopamine depletion in cultured dSPN neurons, 6-OHDA-treated rats, and postmortem brain of patients with PD reduces BDNF responsiveness and causes formation of intracellular TrkB clusters. These clusters associate with sortilin related VPS10 domain containing receptor 2 (SORCS-2) in multivesicular-like structures, which apparently protects them from lysosomal degradation. Thus, impaired TrkB processing might contribute to disturbed motor function in PD.
Ziel dieser Arbeit war es aufzuzeigen, dass die hohe Adaptivität und Flexibilität menschlicher Bewegungskontrolle unter der Annahme erklärt werden kann, dass Bewegungen als wahrgenommene Ereignisse geplant, ausgeführt und gespeichert werden, ohne dass dabei ein direkter Zugriff auf efferente Muster erfolgt. Dafür trainierten Versuchspersonen in drei Experimenten jeweils mit einer Hand Zielbewegungen. Bei einem der Ziele war die visuelle Rückmeldung dabei so manipuliert, dass die Bewegungen kürzer erschienen als tatsächlich ausgeführt. Versuchspersonen adaptierten an diese visuomotorische Transformation. Darüber hinaus generalisierte die zielspezifische Adaptation auch auf Bewegungen der untrainierten Hand. Die Höhe des Transfers hing sowohl von der Händigkeit als auch vom Geschlecht der Versuchspersonen ab. Rechtshändige Männer zeigten mehr Transfer von der rechten auf die linke Hand als umgekehrt, während bei linkshändigen Männern und bei Frauen keine Asymmetrien zu beobachten waren. Ob die Versuchspersonen die Manipulation gemerkt hatten oder nicht, spielte für die Höhe des Transfers keine Rolle. Die Qualität des Transfer ließ darauf schließen, dass die motorische Adaptation nicht in Form efferenter Signale, sondern in Form sensorischer Repräsentationen gespeichert und abgerufen wurde. Die Ergebnisse wurden mit künstlichen neuronalen Netzen modelliert. Voraussetzung für die qualitative und quantitative Modellierung des Transfers war zum einen die Annahme einer effektorunabhängigen räumlichen Repräsentation, auf die beide Arme zugreifen, und zum anderen die wiederholte systematische Koaktivierung beider Arme vor der visuomotorischen Adaptation. In einem vierten Experiment trainierten Versuchspersonen die Ausübung einer konstanten Druckkraft mit dem Zeigefinger einer Hand. In einer Transferphase musste die Kraft mit dem Zeigefinger oder Mittelfinger der gleichen oder der anderen Hand reproduziert werden. Bei einigen der Versuchspersonen wurde die sensorische Rückmeldung während der Transferphase dadurch verändert, dass ein Fingerhut über den jeweils benutzten Finger gestülpt war. Es zeigte sich, dass die Genauigkeit der Kraftreproduktion nur unwesentlich davon abhing, welcher Finger benutzt wurde. Dagegen hing sie wesentlich davon ab, ob die sensorische Rückmeldung verändert war oder nicht. Auch dieses Experiment weist also darauf hin, dass im motorischen Gedächtnis keine effektorspezifischen efferenten Muster gespeichert werden. Vielmehr scheinen beim Bewegungslernen relevante sensorische Zielgrößen gespeichert zu werden, die später als Referenzwert für Bewegungen des trainierten Armes und anderer Körperglieder genutzt werden können.
Participants trained aiming movements of the right hand to several targets with a prism-like virtual displacement of the location of one of the targets, receiving either terminal or continuous visual feedback. After training, the same targets were to be reached with the untrained left hand under manipulated feedback conditions. The right hand movements continuously adapted to the unnoticed visual displacement, significantly less with continuous than with terminal feedback. Under terminal but not under continuous feedback the adaptation to the manipulated target generalized to targets in the same horizontal direction but not to targets in the opposite direction. Finally, the movements of the untrained left hand showed the same qualitative changes to the targets as the movements of the trained right hand. The data are in line with the notion that the adaptation of the right hand movements is mainly based on a re-interpretation of target locations on which movement control of both hands draws.
Der Verlauf der Multiplen Sklerose ist heterogener Natur; die Fähigkeit zu einem intakten adaptiven motorischen Lernen und einer intakten Konsolidierung könnten einen milden Krankheitsverlauf begünstigen.
In der vorliegenden Arbeit wurden das adaptive motorische Lernen und seine Konsolidierung bei MS-Patienten im Vergleich zu neurologisch gesunden Kontrollprobanden untersucht; außerdem wurde das Verhältnis dieser Formen des Lernens zu klinischen und apparativen Parametern des Krankheitsprogresses untersucht.
Dazu führten 20 MS-Patienten und 20 Kontrollprobanden eine visuoadaptive Lernaufgabe durch. Hierzu sollten mittels Computerbildschirm und Computermaus geradlinige Zielbewegungen zwischen einem Startpunkt und einem Zielpunkt wechselnder Lokalisation durchgeführt werden, wobei in einem Rotationsmodus eine externe Ablenkung der Zielbewegung im Uhrzeigersinn eingeführt wurde, welche auszugleichen war. Die Übungssitzung wurde nach 24 Stunden und nach 72 Stunden wiederholt. Analysiert wurden die Richtungsfehler der Zielbewegungen, die Adaptationsrate an die Ablenkung und die Retention der erlernten Adaptation bis zur Folgesitzung. Motorische Einschränkung wurde durch den EDSS-Score und den 9-Loch-Stecktest quantifiziert, zentralnervöse Läsionslast wurde mittels cMRT und MEP ermittelt.
Die Adaptation und Lernfähigkeit innerhalb einer Übungssitzung waren in der Patienten- und der Kontrollgruppe vergleichbar; jedoch zeigte sich eine signifikant verminderte Retentionsrate in der Patientengruppe an den Folgeuntersuchungstagen im Vergleich zur Kontrollgruppe. In den Korrelationsanalysen und Subgruppenvergleichen innerhalb der Patientengruppe nach Stratifizierung aufgrund von EDSS-Score, 9-Lochstecktest und zentralnervöser Läsionslast im MRT konnte kein eindeutiger Zusammenhang zwischen klinischer Beeinträchtigung bzw. zentralnervöser Läsionslast auf der einen Seite und Adaptation bzw. Konsolidierung auf der anderen Seite identifiziert werden. Jedoch zeigte sich in der Patientengruppe für den ersten Nachuntersuchungstag eine signifikant höhere Retentionsrate in der Subgruppe mit geringerer Leistung im 9-Lochsteck-Test.
Insgesamt deuten die vorliegenden Daten auf eine erhaltene Fähigkeit zu adaptivem motorischen Lernen und somit auf eine erhaltene rasch einsetzende Neuroplastizität bei leicht bis mittelgradig betroffenen MS-Patienten hin; jedoch sprechen die Daten für eine eingeschränkte Konsolidierungsfähigkeit. Zentralnervöse Läsionslast scheint Motoradaptation und Konsolidierung nicht zu verhindern. Das genaue Verhältnis der Motoradapation und Konsolidierung zum klinischen Funktionserhalt konnte nicht genauer aufgeklärt werden. Um die genaue Beziehung zwischen Motoradaptation und Konsolidierung und klinischer Beeinträchtigung bzw. ZNS-Läsionen zu eruieren, bedarf es weiterer Studien.
Background: Recently, attention has grown toward cerebellar neuromodulation in motor learning using transcranial direct current stimulation (tDCS). An important point of discussion regarding this modulation is the optimal timing of tDCS, as this parameter could significantly influence the outcome. Hence, this study aimed to investigate the effects of the timing of cerebellar anodal tDCS (ca-tDCS) on motor learning using a sequential finger-tapping task (FTT).
Methods: One hundred and twenty two healthy young, right-handed subjects (96 females) were randomized into four groups (During\(_{sham}\), Before, During\(_{real}\), After). They performed 2 days of FTT with their non-dominant hand on a custom keyboard. The task consisted of 40 s of typing followed by 20 s rest. Each participant received ca-tDCS (2 mA, sponge electrodes of 25 cm\(^{2}\), 20 min) at the appropriate timing and performed 20 trials on the first day (T1, 20 min). On the following day, only 10 trials of FTT were performed without tDCS (T2, 10 min). Motor skill performance and retention were assessed.
Results: All participants showed a time-dependent increase in learning. Motor performance was not different between groups at the end of T1 (p = 0.59). ca-tDCS did not facilitate the retention of the motor skill in the FTT at T2 (p = 0.27). Thus, our findings indicate an absence of the effect of ca-tDCS on motor performance or retention of the FTT independently from the timing of stimulation.
Conclusion: The present results suggest that the outcome of ca-tDCS is highly dependent on the task and stimulation parameters. Future studies need to establish a clear basis for the successful and reproducible clinical application of ca-tDCS.
Die Arbeit befasst sich mit der Frage, welche Rolle die sensorischen Effekte von Handlungen beim Erwerb und der Steuerung von Bewegungen spielen. Dabei wird auf zwei experimentelle Ansätze zurückgegriffen, einerseits die serielle Wahlreaktionsaufgabe (SWR) und andererseits Trainingsstudien zum Erwerb kurzer motorischer Sequenzen. In der SWR ist es die Aufgabe der Versuchspersonen, auf nacheinander dargebotene Reize so schnell wie möglich, meist mit Tastendrücken, zu reagieren. Wenn die Abfolge der Tastendrücke einer bestimmten, statistisch festgelegten oder zyklisch wiederholten Struktur folgt, nehmen die Reaktionszeiten stark ab, wenn die Struktureigenschaften verändert werden, verschwindet dieser Übungsgewinn wieder. Anhand der einschlägigen Literatur wird zunächst belegt, dass sowohl statistische als auch relationale sowie raum-zeitliche Struktureigenschaften die Lernrate beeinflussen. Anschliessend wird diskutiert, zwischen welchen Elementen der Ereignissequenz, die eine SWR darstellt, Struktureigenschaften wirksam werden. Es wird der Nachweis geführt, dass die Bedeutung von Reaktionseffekten in diesem Zusammenhang in der Literatur bisher weitgehend vernachlässigt wurde. Ein ähnlicher Mangel zeigt sich auch in der Betrachgung der Literatur zum Training kurzer Bewegungsfolgen und den theoretischen Ansätzen zur motorischen Programmierung: Sensorische Effekte von Bewegungen werden in den Erklärungsmodellen nicht als bedeutsamer Faktor erkannt. Fußend auf der Logik des „ideomotorischen Prinzips“ wird in einer Serie von Experimenten der Nachweis geführt, dass Toneffekte, die kontingent an die Reaktionstasten gebunden sind, sich erleichternd auf den Erwerb und die Ausführung motorischer Sequenzen auswirken können. Im ersten Experiment wird in einer seriellen Wahlreaktionsaufgabe eine Gruppe von Versuchspersonen, die kontingent zugeordnete Toneffekte erzeugt mit zwei Kontrollgruppen (ohne Toneffekte und mit nicht-kontingenten Toneffekten) verglichen. Die kontigenten Toneffekte verbessern das serielle Lernen substantiell, die nicht-kontingenten Toneffekte haben keinen Einfluss. In Experiment 2 wird dieser Befund mit anderem Reizmaterial repliziert und es wird gezeigt, dass bedeutsame Kompatibilitätsbeziehungen zwischen den Reaktionstasten und den Tönen bestehen: Der nützliche Einfluss der Töne zeigt sich nur bei von links nach rechts aufsteigender Zuordnung. In beiden Experimenten kann eine Erklärung der Ergebnisse durch Unterschiede im „expliziten Wissen“ über die Sequenzstruktur ausgeschlossen werden. Experiment drei bis fünf zeigen, dass kontingent und aufsteigend zugeordnete Toneffekte auch das Erlernen kurzer Tastendruchsequenzen, die über einen längeren Zeitraum trainiert werden können, erleichtern. Am augenfälligsten ist dabei das Verschwinden des sogenannten Sequenzlängeneffektes, eines üblicherweise vorhandenen Unterschiedes in den Initiierungszeiten kürzerer und längerer motorischer Abfolgen. Mit geeigneten Toneffekten lassen sich längere Sequenzen ebenso schnell initiieren wie kürzere, was dafür spricht, dass die sensorischen Effekte bei der Erstellung des motorischen Programmes für die Bewegung eine Rolle spielen. In Experiment 4 und 5 nehmen auch die Zwischen-Tasten-Intervalle innerhalb der trainierten Sequenzen mit Toneffekten schneller ab und gleichen sich einander schneller an, was als Hinweis darauf interpretiert wird, dass die Toneffekte sich erleichternd auf das chunking, also die Zusammenfassung einzelner Elemente zu größeren Einheiten, auswirken. Diese Überlegung steht im Einklang mit aus der Literatur bekannten Überlegungen zur Reduktion des Sequenzlängeneffektes durch intensives Training, auch hier wurde in der Vergangenheit bereits ein Einfluss von chunking-Prozessen vermutet. Experiment 5 zeigt, dass der Einfluss der Toneffekte auch bei einem längeren Vorinformationsintervall nicht verschwindet, das heisst, auch wenn die Versuchspersonen Zeit haben, sich auf die gleich auszuführende Sequenz vorzubereiten, können mit Toneffekten geübte Sequenzen schneller initiiert werden. Dies spricht dagegen, dass die Toneffekte sich nur erleichternd auf die Aktionsauswahl auswirken, und dafür, dass ihnen auch bei Initiierung und Ausführung Bedeutung zukommt. Ein letztes Experiment zeigt, dass die beobachteten Befunde nicht unabhängig von den verwendeten Effekten sind, da sich bei einem Replikationsversuch mit visuellen Effekten (Ziffern) keine Unterschiede zwischen Experimental-und Kontrollbedignung beobachten lassen. Die Ergebnisse werden mit Blick auf die zukünftige Modellbildung im Bereich der Motoriksteuerung und der motorischen Programmierung diskutiert. Nachdem Alternativerklärungen ausgeschlossen werden können wird der Schluss gezogen, dass sensorische Effekte Teil der zu Auswahl und Steuerung von Bewegungen notwendigen internen Repräsentationen sein müssen. Geeignete Effekte können Erwerb und Ausführung beschleunigen.
Sowohl neurologische Erkrankungen als auch der natürliche Alterungsprozess gehen regelhaft mit einem Untergang von Neuronen einher und bedingen neurologische Funktionsverluste. Diese mit Hilfe nicht-invasiver Techniken, beispielsweise tDCS, zu reduzieren, stellt ein wichtiges Ziel der neurowissenschaftlichen Forschung dar. Neben Arbeiten, die tDCS-Effekte auf das motorische Lernen bei Stimulation des motorischen Kortex nachweisen konnten, gibt es auch Hinweise für solche Effekte bei Stimulation des Kleinhirns. Allerdings besteht derzeit noch eine hohe Variabilität und damit einhergehend eine schlechte Vergleichbarkeit der Studien bezüglich ihrer Stimulationsbedingungen. Das Ansprechen unterschiedlicher Altersgruppen bleibt unklar.
In der vorliegenden Arbeit wurden die Effekte zerebellärer a-tDCS auf das motorische Lernen bei gesunden älteren Probanden untersucht. Im Cross-over-Design wurde zu unterschiedlichen Zeitpunkten (vor bzw. nach der motorischen Aufgabe) stimuliert und im 24-Stunden-Verlauf die Langzeitwirkung evaluiert. Gruppe A erhielt vor einer motorischen Übungsaufgabe eine zerebelläre Stimulation, entweder als a-tDCS oder Scheinstimulation, Gruppe B nach der Übungsaufgabe. Zur Überprüfung der Effekte auf das Sequenzlernen diente der Finger-Tapping-Task. Der Lernerfolg wurde anhand der Genauigkeit, der Sequenzdauer und des Skill-Index gemessen.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine zerebelläre a-tDCS vor einer Übungsaufgabe zu einer Verbesserung der Konsolidierung der Fähigkeit, eine Zahlenfolge möglichst schnell und gleichzeitig genau einzutippen, führt, während die Stimulation nach einer Übungsaufgabe das motorische Lernen nicht zu beeinflussen scheint. Insgesamt stützen die Ergebnisse zum Teil die bisherigen Hinweise, dass eine zerebellär applizierte a-tDCS das motorische Lernen verbessern kann. Aufgrund einiger Limitationen, besonders der geringen Gruppengröße, verbleibt dieses Ergebnis jedoch vorläufig und bedarf einer Bestätigung in größeren Probandengruppen. Es bleibt von hohem Interesse, die optimalen Bedingungen für die Anwendung von tDCS am Kleinhirn zu definieren, um motorische Lernprozesse positiv zu beeinflussen. Dies ist die Voraussetzung dafür, zerebelläre tDCS mittelfristig auch zu therapeutischen Zwecken anwenden zu können.