Sensorisches Feedback prägt die Individualität und bietet gleichermaßen Raum für hervorragende Verhaltensweisen | 2020

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Anonim

Wissenschaftler sind davon ausgegangen, dass die Evolution uns zu einer einzigen "besten" Methode zum Gehen treiben würde - oder zu jeder Bewegung. Aber selbst die wiederholten Schritte einer Person, die genau beobachtet werden, sind selten identisch.

"Ist diese Variabilität beim Gehen nur ein Geräusch, das das Nervensystem überwinden muss, oder trägt es zur normalen Funktion bei?" fragt Hillel Chiel, Professor für Biologie an der Case Western Reserve University.

Chiel arbeitete mit Miranda J. Cullins von Case Western Reserve, Jeffrey McManus, Hui Lu und Kendrick Shaw, die gerade promoviert haben, und dem derzeitigen Doktoranden Jeffrey Gill zusammen, um die Antwort zu finden. Ihre Forschung, veröffentlicht in der Zeitschrift Aktuelle Biologie legt nahe, dass die Aufrechterhaltung der Variabilität sowohl für das normale Verhalten als auch für die längerfristige Entwicklung von wesentlicher Bedeutung ist.

"Die meisten Menschen sehen Variation als ein Problem, von dem sie wegkommen müssen, aber es ist die Lösung", sagte Chiel. "Unser Körper verändert sich im Laufe des Lebens, und unser Nervensystem reagiert auf Veränderungen, damit wir so funktionieren können, wie sich die Dinge ändern."

Die Ergebnisse haben Auswirkungen auf die Rehabilitation von Verletzten, die Beeinträchtigung von Krankheit oder Schlaganfall. Sportler trainieren; und um bessere Roboter zu bauen.

Der Gang und das menschliche Nerven- und Muskelsystem, das ihn steuert, sind sehr kompliziert. Um die Variabilität zu untersuchen, untersuchten die Forscher das Schlucken motorischer Muster in der Meeresmolluske Aplysia californica. Diese Meeresschnecke ist bekannt für ihre großen, identifizierten Neuronen, mit denen zelluläre und molekulare Lern- und Motivationsmechanismen verstanden wurden.

Das Team betrachtete die Ebene der Motoneuronen. Die Forscher entfernten sensorische Eingaben aus den Schnecken und untersuchten die motorischen Muster im isolierten Gehirn des Tieres. Sie stellten fest, dass die motorischen Muster von Tier zu Tier mehr variierten als bei sensorischem Feedback.

Wenn die Sensoren der Meeresschnecke beim Füttern Feedback geben, reagieren alle Schnecken auf ähnliche Weise - das heißt, es ist schwieriger geworden, eine Schnecke von einer anderen zu unterscheiden, wenn man nur ihre Motormuster betrachtet. Ihre Reaktionsbereiche waren nahezu identisch, wenn die Bewegung für das Schlucken wesentlich war, z. B. wie lange der Fütterungsgreifer geschlossen war, als er Algen in den Mund zog.

Überraschenderweise stellten die Forscher jedoch nicht fest, dass das Feedback die Variabilität innerhalb der einzelnen Seeschnecken verringerte. Im Gegenteil: Das Reaktionsspektrum innerhalb jedes Tieres wurde breiter.

Aber wie verringert eine zunehmende Variabilität innerhalb einzelner Tiere die Variabilität innerhalb der Gruppe?

"Eine Möglichkeit, die Individualität zu verringern, besteht darin, allen Tieren Zugang zu einem breiteren Spektrum an Antworten zu verschaffen - einem gemeinsamen Lösungsraum", sagte Chiel.

In einer Welt, die sich ständig weiterentwickelt, ist es jedoch von Vorteil, eine Reihe von Optionen in diesem Raum zu haben, sagte Chiel. "Darwins große Erkenntnis war, dass Variation das Rohmaterial ist, mit dem Tiere sich an veränderte Umgebungen anpassen und so ihre Fitness verbessern können."

Änderungen umfassen die Änderungen in jedem Einzelnen. Eine Person, die einen Schlaganfall erleidet, insbesondere mit einer Störung des sensorischen Feedbacks, würde mehr von einer Therapie profitieren, um wieder Zugang zu den gesamten Bewegungsmöglichkeiten zu erhalten, als sie zu schulen, in eine Richtung zu gehen, sagten die Forscher.

Für das Training von Athleten können Fähigkeiten wie das Schießen von Freiwürfen im Basketball verbessert werden, indem die Variabilität in dem Teil ihres Körpers verringert wird, der mit dem Ball in Verbindung stehen muss. Möglicherweise müssen sie jedoch gleichzeitig die Variabilität in anderen Körperteilen erhöhen, um die besonderen Eigenschaften ihres Körpers voll ausnutzen zu können.

Laut den Forschern wären Roboter mit einer integrierten Reihe von Antworten, mit denen sie sich automatisch an unterschiedliche Aufgaben anpassen können, nützlicher als solche, die für jede Änderung neu programmiert werden müssen.

Chiels Labor untersucht nun, ob ihre Beobachtung in Meeresschnecken für Wirbeltiere, einschließlich Menschen, relevant ist, und untersucht zelluläre und synaptische Mechanismen, die sensorisches Feedback ermöglichen, um die motorische Variabilität zu formen.

"Wir glauben, dass diese Ergebnisse nicht nur für Schnecken gelten, sondern ein allgemeines Phänomen für alle Tiere", sagte Chiel. Forschungen anderer unterstützen uns und sagen: "Wir glauben, dass jeder von uns eine andere Art des Gehens hat - und dass unsere einzigartige Individualität für den Erfolg unseres Handelns so wichtig ist."